P ist für alle Lebewesen ein lebensnotwendiges Nährelement. In terrestrischen Ökosystemen ist P häufig ein limitierender Nährstoff. Der P-Gehalt im Oberboden beeinflusst die Pflanzenartenvielfalt im Dauergrünland. P ist für die Eutrophierung von Oberflächengewässern hauptverantwortlich. Außerdem gehört P zu den knappen Rohstoffen. Die Preise für mineralische P-Dünger werden deshalb in Zukunft vermutlich weiter steigen. Ein effizienter Einsatz mineralischer P-Dünger ist daher sowohl aus Gründen des Natur- und Umweltschutzes als auch aus Kostengründen notwendig. Von einer ressourcenschonenden und umweltverträglichen Grünlandbewirtschaftung wird erwartet, dass die Düngung den P-Bedarf der Pflanzen deckt, gleichzeitig aber die P-Verluste durch Erosion, Abschwemmung und Auswaschung so gering wie möglich gehalten werden. Daher ist es notwendig, die Düngung an den zeitlichen und mengenmäßigen Nährstoffbedarf der Vegetation anzupassen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss einerseits der saisonabhängige P-Bedarf der Pflanzen bekannt sein und andererseits die P-Dynamik im Boden berücksichtigt werden. Die P-Dynamik im Boden ist von vielen Bodeneigenschaften abhängig. Entscheidend sind vor allem pH-Wert, Bodenwasserhaushalt (Redoxpotential), Bodentemperatur und mikrobielle Aktivität (Phosphataseaktivität) im Boden. Für die Optimierung von P-Düngemaßnahmen sind daher Kenntnisse über die P-Dynamik im Boden und die verschiedenen P-Pools im Boden notwendig. Davon hängt die Ausnutzbarkeit und Ertragswirksamkeit der P-Dünger und somit die bedarfsgerechte Menge und der optimale Zeitpunkt der P-Düngung ab. Über die P-Dynamik im Boden in Abhängigkeit vom Bodenwasserhaushalt und die verschiedenen P-Pools in österreichischen Grünlandböden ist bisher noch wenig bekannt. Die Thematik ist aber von großer praktischer Relevanz, weil P ein knapper Rohstoff mit großer Umweltwirkung ist. Sowohl aus landwirtschaftlicher als auch aus wasserwirtschaftlicher Sicht stellen sich folgende Fragen: - Werden die verschiedenen P-Pools im Boden durch langjährige Düngung unterschiedlich angereichert? - Welchen Einfluss hat die Höhe der jährlich ausgebrachten P-Düngermenge? - Bestehen Unterschiede zwischen mineralischer und organischer Düngung? - Welche P-Pools im Boden werden bei fehlender Düngung bevorzugt abgereichert? - Bestehen hinsichtlich P-Pools Unterschiede zwischen verschiedenen Tiefenstufen im Boden? - Welchen Einfluss haben Grundwasserspiegelschwankungen und Veränderungen des Bodenwassergehaltes auf die P-Dynamik und P-Mobilität im Boden? - Haben feuchte und nasse Grünlandstandorte einen geringeren P-Düngerbedarf als wechselfeuchte oder frische Standorte? Für die Beantwortung dieser Fragen bieten sich Langzeitfeldversuche an. Langzeitfeldversuche wurden in Gumpenstein 1960 und in Admont 1946 angelegt. Die Düngungs- und Nutzungsgeschichte auf den einzelnen Versuchsparzellen ist bestens dokumentiert. (Text gekürzt)
Stoff- und Energieumwandlungen im Boden hängen vom Aktivitätszustand der Mikroorganismen und ihrem Stoffwechsel ab. Der mikrobielle Abbau von Phosphor (P) kann nicht nur durch P, sondern auch durch Kohlenstoff- (C) und Energiemangel angetrieben werden, da energiereiche Phosphoesterbindung zu den wichtigsten Energiespeichern und -überträgern in Zellen gehört. In diesem Projekt werden wir den von „EcoEnergeticS“ entwickelten thermodynamisch-metabolischen Ansatz zur Bioenergetik des P-Abbaus aus organischen Quellen vertiefen. Unser Ziel ist es, die Energiekosten der Enzymproduktion für den P-Abbau zu ermitteln, mittels derer C, Energie und Nährstoffe aus Substraten unterschiedlicher Komplexität gewonnen werden können. Wir werden erstmals die Parameter der mikrobiellen P-Immobilisierung (Pmic-Bildung), des ATP-Spiegels, der Dynamik der Speichesubstanzen (PHBs), des PLFA- und DNA-Gehalts und deren Verhältnisse sowie die Enzymaktivität mit Wärmefreisetzung und CO2-Emission als Stellvertreter der Stoffwechselaktivität zu kombinieren. Wir nehmen an, dass die Energiekosten zur Produktion P-hydrolysierender Enzyme durch Mikroorganismen mit zunehmender Substratkomplexität steigen. Eine weitere Hypothese lautet, dass Mikroorganismen entweder bei C- oder P-Mangel Verbindungen mit hochenergetischen Phosphoesterbindungen (z. B. ATP) eher als Quelle für entweder C oder P verwenden. Ohne P-Mangel kann C aus ATP in zur Energiespeicherung in Speicherstoffe (z. B. PHB) eingebaut werden, während hydrolysiertes P freigesetzt wird. In WP1 werden wir die Investition von Mikroorganismen in die Enzymproduktion zur Gewinnung von Energie und Nährstoffen aus organischen P-Substanzen unterschiedlicher Komplexität ermitteln, was die Hydrolyse durch entweder eine oder mehrere Phosphatasen (Phosphomono- und Phosphodiesterasen, Phytasen) erfordert. Weiterhin werden wir in WP2 die Energiekosten von i) anorganischer P-Aufnahme und anaboler Verwendung, ii) Mineralisierung von organischen P-Verbindungen mit zunehmender Komplexität entschlüsseln. Das Verwendung von hochenergetischen, C- und P-haltigen Organo-Phosphoestern durch Mikroorganismen bei Nährstoff- und/oder Energielimitierung wird in WP3 untersucht. Insbesondere zielen wir darauf ab, den Einbau von ATP in Zellkomponenten als Indikator für den metabolischen Zustand von Zellen zu definieren, die in der Lage sind, i) energielimitierte, ii) C-limitierte oder iii) P-limitierte mikrobielle Gemeinschaften in Böden zu differenzieren. Insgesamt wird dieses Projekt untersuchen, wie Nährstoffmangel und die Notwendigkeit der Phosphatasebildung die Energie- und C-Speicherung beeinträchtigen und welche dieser P- und C-Wege abhängig von der mikrobiellen Aktivität angetrieben werden. Das Verständnis dieser Mechanismen kann dazu beitragen, die mikrobielle Effizienz bei der P-Umwandlung aus organischer Substanz zu erhöhen, was besonders angesichts des zukünftigen Mangels an Phophordüngemitteln von besonderer Bedeutung ist.
Als Reaktion auf das Problem der Phosphorverknappung wurden eine Reihe von sogenannten Phosphorplattformen initiiert, welche die Aktivitäten auf dem Gebiet der Phosphorforschung bündeln und den Kenntnisstand zum Thema Phosphor (P) substantiell verbessern sollen. Ziel ist eine effiziente und nachhaltige Nutzung der verfügbaren Phosphorressourcen. In diesem Rahmen setzt das Schwerpunktprogramm (SPP) 1685 den Fokus auf diejenigen Prozesse, die den Phosphorkreislauf im Ökosystem Wald bestimmen. Das vorliegende Projekt soll die Anstrengungen innerhalb des SPPs methodisch und konzeptionell erweitern, in dem P-relevante Prozesse an Oberflächen mit Methoden der Computerchemie auf molekularer Ebene untersucht werden. Während die experimentellen Arbeiten darauf ausgerichtet sind, beispielsweise P-Verbindungen an den verschiedenen Testfeldern in ihrer Häufigkeit und Reaktivität zu charakterisieren, ergeben sich durch die Nutzung von computerchemischen Methoden Möglichkeiten, zum detaillierten Verständnis der experimentellen Daten beizutragen. Ziel dieses Projektes ist es, die grundlegenden Mechanismen bei der P-Bindung an Oberflächen im Boden zu bestimmen und beeinflussende Faktoren zu untersuchen. Dazu sollen molekulare Modelle für P-relevante Prozesse im Boden entwickelt und in numerischen Simulationsprotokollen implementiert werden. Dabei können wir auf bestehende Vorarbeiten zu agrarischen Ökosystemen aufbauen. In Kooperation mit experimentellen Partnern im SPP und an der Universität Rostock sollen folgende Fragen beantwortet werden: (i) Welche Bindungsmotive gibt es für organische und anorganische P-Verbindungen an Mineraloberflächen im Boden und was sind die Bindungsenergien? Wie werden diese Eigenschaften z.B. durch den pH-Wert beeinflusst? (ii) Wie hängt die Bindung von der Art und den Eigenschaften der Oberfläche ab, z.B. Vergleich alkalische (Ca) vs. saure (Al,Fe-Oxide) Oberflächen, wie sie für die verschiedenen Testfelder im SPP typisch sind. (iii) Welchen Einfluss hat die Bedeckung der Oberfläche mit für Waldböden typischen organischen Substanzen, die z.B. aus der Aktivität von Mikroben stammen. (iv) Welche Unterschiede/Gemeinsamkeiten gibt es zwischen der P-Bindung an Mineraloberflächen und an makromolekularen organischen Bodensubstanzen?
In Amazonien dominieren nährstoffarme Oxisole und Ultisole, die nur schwer nachhaltig nutzbar sind. Innerhalb dieser Bodenlandschaft kommen allerdings aufgrund langandauernder anthropogener Nutzung durch präkolumbische Indianer tiefhumose, nachhaltig bewirtschaftbare Böden vor. Unsere bisherigen Untersuchungen belegen, dass die hohen und stabilen Humusvorräte dieser Böden maßgeblich auf pyrogenen Kohlenstoff zurückzuführen sind. Ungeklärt ist bisher die Herkunft ihrer hohen Nährstoffgehalte (bes. N, P, Ca, Mg). Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es deshalb, durch die kleinräumige Analyse von Biomarkern und ihrer Stabilisotopenverhältnisse sowie von P-Bindungsformen Hinweise auf die Terra Preta-Genese zu bekommen. Insbesondere soll zwischen dem Eintrag menschlicher und tierischer Exkremente sowie zwischen aquatischer und terrestrischer Biomasse unterschieden werden. Von den Ergebnissen der Untersuchungen erwarte ich gezielte Aussagen über die Anreicherung der Terra Preta-Böden mit Nährstoffen sowie die Heterogenität der Eintragspfade.
Seit das Belebtschlammverfahren in seinen Grundzuegen durch Publikationen und Patentanmeldungen von Ardern und Lockett im Jahre 1914 vorgestellt wurde, hat es sich zum Standardverfahren zur Reinigung kommunaler Abwaesser entwickelt, wobei es inzwischen auch gelungen ist, mit diesem Verfahren neben den Kohlenstoffverbindungen die Stickstoff- und Phosphorverbindungen aus dem Abwasser zu entfernen. Wurden frueher Belebungsanlagen noch aufgrund von vorwiegend hydraulischen Groessen ausgelegt, so sind heute aufgrund der immer umfangreicheren und strengeren Anforderungen der Abwasserverwaltungsvorschriften an die Reinigungsleistung einer Klaeranlage entsprechend komplexere Dimensionierungsbeziehungen zu beruecksichtigen. Bei der Planung neuer Anlagen, insbesondere fuer hoeherbelastete Abwaesser und Industrieabwaesser, gilt es zudem, neue Entwicklungen wie die Turmbiologie, Hochleistungsreaktoren (Kompaktreaktor, Hubstrahlreaktor, Prallstrahlreaktor) oder den Festbett- und Wirbelschichtreaktor als eine Altemative zum klassischen Belebungsbecken heranzuziehen und zu bewerten. Beim Betrieb werden wegen der steigenden Komplexitaet der Anlage und der erhoehten Anforderungen hinsichtlich der zulaessigen Grenzwerte und der Zahl der zu eliminierenden Schadstoffe sowie im Hinblick auf die Anlagensicherheit und die Ueberwachung der Grenzwerte zunehmend die Moeglichkeiten von on-line Messtechniken und modernen Regelungsstrategien Verwendung finden muessen. Ziel dieses Vorhabens ist es, - ein von der International Association on Water Pollution Research and Control (IAWPRC) entwickeltes mathematisches Modell zur Simulation von kommunalen Abwasserreinigungsanlagen fuer die dynamische Simulation von Anlagen fuer die Reinigung komplexer Abwaesser wie Deponiesickerwaesser und Industrieabwaesser zu erweitern, wobei eine objektorientierte Modellerstellungsumgebung entwickelt werden soll, die es gestattet, alle Projektphasen einer Simulation zu unterstuetzen, und - unter Verwendung der dynamischen Simulation Regelungs- und Optimierungsstrategien fuer komplexe Abwasserreinigungsanlagen unter Einsatz von on-line Messtechniken zu entwickeln. Dabei sollen sowohl analytische Verfahren, als auch sogenannte wissensbasierte Verfahren auf Basis der Fuzzy-Logik und Neuronalen Netze eingesetzt werden mit dem Ziel, dureh Kombination beider Verfahren hybride, adaptive Verfahren zu entwickeln.
Neben Stickstoff ist in natürlichen (Wald)ökosystemen vor allem Phosphat (P) limitierend für die Gesamtbiomasseproduktion. Aufgrund der geringen Mobilität von Phosphat sind höhere Pflanzen jedoch selbst auf gut gedüngten Ackerböden in mehr oder weniger starkem Umfang auf spezielle Anpassungen zur P Aneignung, wie die Ausbildung von Feinwurzelstrukturen, Veränderungen der Rhizosphärenchemie zur P-Mobilisierung, die Expression hochaffiner -ufnahmesysteme, auf Mycorrhizierung und effiziente interne P Verwertung angewiesen. Die genetischen Grundlagen derartiger Anpassungen wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht. Weitgehend unbekannt ist in diesem Zusammenhang jedoch, inwieweit auch epigenetische Modifikationen dabei eine Rolle spielen, die möglicherweise sehr viel schnellere vererbbare Anpassungen an umweltabhängige Stressfaktoren ermöglichen als mutationsbedingte Veränderungen. Im beantragten Forschungsvorhaben wird untersucht, ob genetisch identisches Ausgangsbaummaterial von unterschiedlichen Standorten genomweite epigenetische Unterschiede zeigt. Insbesondere wird gemessen, ob diese mit der Ernährungsstrategie für Phosphor in Verbindung stehen, bzw. für die Standortanpassung mit verantwortlich sein könnten. Die genetisch sehr gut charakterisiere und über über Stecklinge klonal vermehrte Balsampappel (Populus trichocarpa) wird als Modellsystem genutzt. Stecklinge von unterschiedlichen Standorten werden zunächst auf ihre Nährstoffgehalte geprüft und anschließend in Gefäßversuchen unter identischen Bedingungen mit unterschiedlichem Gehalt an pflanzenverfügbarem P angezogen. P-Gehalte der Pflanzen, sowie potenzielle morphologische und physiologische Anpassungen an die neue Umwelt werden gemessen. Anschließend wird das Methylierungsmuster der DNA mittels Bisulfit-Hochdurchsatzsequenzierungen genomweit kartiert und die epigenetischen Unterschiede werden mit der Genexpression im Phosphatstoffwechsel korreliert.
Im Laufe ihrer Entwicklung gehen Waldökosysteme zur Deckung ihres Phosphorbedarfs von der Nutzung gesteinsbürtiger Mineralquellen zum Recycling organisch gebundenen Phosphors über. Da anorganischer Phosphor sehr stark durch Sekundärminerale gebunden wird, ist er kaum pflanzenverfügbar, unterliegt aber auch kaum der Auswaschung. Austräge gelösten Phosphors erfolgen überwiegend in organischer Form, egal in welcher Entwicklungsphase sich das System befindet. Allerdings ist nur wenig über die Zusammensetzung und Dynamik gelösten organischen Phosphors (DOP) bekannt. Wahrscheinlich sind insbesondere mikrobielle Produkte, wie Nukleotide und Nukleinsäuren, mobil. Hingegen scheinen pflanzliche Phosphorverbindungen, z.B. Phytate, weniger der Auswaschung zu unterliegen, weil sie vermutlich stärker gebunden werden. Die mobilen mikrobiellen Verbindungen sind potentiell enzymatisch hydrolysierbar; daher ist es möglich, dass der in ihnen enthaltene Phosphor von Pflanzen aufgenommen wird und sich so die Austräge aus Recyling-Systemen verringern. Unser Vorhaben hat zum Ziel, zu klären welche stofflichen Eigenschaften phosphorhaltiger organischer Verbindungen ihre Mobilität kontrollieren, welche Einflüsse ihre Zusammensetzung steuern, und welche Bedeutung sie als Phosphorquelle für Bäume haben. Dazu sammeln wir Auflagensickerwässer und Bodenlösungen an Standorten entlang des für der das SPP1685 vorgeschlagenen Phosphorverfügbarkeitsgradienten. Diese werden mittels spektroskopischer Methoden (v.a. NMR, an ausgewählten Proben auch XPS und XANES) auf Phosphorspezies sowie die enzymatische Umsetzbarkeit (in Kombination mit spektroskopischen Methoden) untersucht. Dadurch können mobile wie labile Substanzen identifiziert werden. Ähnliche Untersuchen werden an Lösungen aus Manipulationsexperimenten (Trockenheit, pH) andere SPP-Antragsteller zur Steuerung der Mobilisierung gelösten Phosphors vorgenommen, so dass Änderungen der Zusammensetzung und damit der chemischen und biologischen Reaktivität betrachtet werden können. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Laborversuche zur potentiellen Mobilität bestimmter organischer Phosphorspezies (Sorptionsexperimente, in Kombination mit spektroskopischen Methoden) sowie Versuche mit 13C-, 14C- und 33P-markierten Substanzen zur potentiellen Aufnahme gelöster organischen Phosphors durch Baumsetzlinge, wobei zwischen Aufnahme nach Hydrolyse und direkter Aufnahme organischer Moleküle unterschieden werden soll.
Organische Bodensubstanz (OBS) wird als zunehmend wichtige Quelle bioverfügbaren Phosphors (P) bei Abnahme anorganischer P-Vorräte in primären Mineralen erachtet. Gegenwärtige Konzepte zum P-Recycling in Waldökosystemen ignorieren den Beitrag mineral-organischer Assoziationen. Wir planen daher, Prozesse auf der Nanoskala auf Mineraloberflächen mit der Verfügbarkeit von organischem P für Mikroorganismen zu verknüpfen und insbesondere die Auswirkung von Biodiversität und funktioneller Einnischung mikrobieller Lebensgemeinschaften auf das Recycling mineralgebundenen P in Böden zu untersuchen. Entlang eines P-Verfügbarkeitsgradienten wird zunächst der Anteil mineralassoziierten P quantifiziert, die Zusammensetzung mittels 31P NMR- und Röntgenabsorptionsspektroskopie ermittelt und in Beziehung zu mineralogischen Parametern gesetzt. Auf Basis von Adsorptions- und Desorptionsexperimenten mit organischen P-Verbindungen (Mono- und Polymere) wird das Recyclingpotential für mineralgebundenen organischen P unter Variation diverser Lebensgemeinschaften (Pflanzen, Mykorrhiza, Bakterien) sowohl in Mesokosmenversuchen als auch im Feldversuch getestet. Als Erkenntnisgewinn erwarten wir eine Abschätzung der Relevanz mineralassoziierten organischen P für das P-Recycling in Waldökosystemen und eine Identifizierung der wichtigsten abiotischen und biotischen Einflussfaktoren.
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