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Verwendung von HYPErspectral EnMAP-Daten für Upscaling und Langzeitüberwachung der mikrobiellen Aktivität in der Phyllosphäre

Das Projekt "Verwendung von HYPErspectral EnMAP-Daten für Upscaling und Langzeitüberwachung der mikrobiellen Aktivität in der Phyllosphäre" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Philipps-Universität Marburg, Fachgebiet Klimageographie und Umweltmodellierung durchgeführt. Mikroben spielen eine bedeutende Rolle in Ökosystemen. Sie sind zentrale Akteure für den biogeochemischen Kreislauf, z.B. bei der Bindung und Freisetzung von Treibhausgasen. Sie können gleichzeitig über ihre Interaktion mit Wirtspflanzen die Vegetationsgesundheit positiv wie negativ beeinflussen. Ein wichtiger Bestandteil mikrobiellen Lebens findet im Kronenraum von Wäldern statt. Trotz der immensen Bedeutung ist über die raum-zeitliche Dynamik von Mikroben wenig bekannt, da Monitoring Systeme in diesem Lebensraum fehlen. Ziel des Projektes ist es daher, mithilfe von hyperspektralen EnMAP-Daten wichtige Indikatoren der mikrobiellen Dynamik (Diversität, Abundanz, sekundäre Metabolite) mithilfe von maschinellen Lernmodellen abzuleiten und damit die Möglichkeiten eines raum-zeitlichen Monitorings zu demonstrieren. Durch Monitoring-Aktivitäten im Marburg Open Forest stehen umfangreiche Felddaten über Blatteigenschaften, die mikrobielle Aktivität und hyperspektrale Blattscans zur Verfügung, die als Trainings- und Validierungsdaten maschineller Lernmodelle dienen. Auch Umweltfaktoren wie das Kronenklima werden dort erhoben. Die trainierten Modelle sollen für verschiedene Jahreszeiten auf den gesamten Wald hochskaliert werden. Mit diesen Daten soll die mikrobielle Aktivität in Abhängigkeit wichtiger Umweltfaktoren (Klima, Boden, Topografie) untersucht werden.

Teilprojekt B03: Evolution von Protisten in extrem wasserlimitierten Gebieten

Das Projekt "Teilprojekt B03: Evolution von Protisten in extrem wasserlimitierten Gebieten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Institut für Zoologie, Biozentrum Köln, Arbeitsgruppe Allgemeine Ökologie durchgeführt. Einzellige Eukaryonten sind ideale Modellorganismen, die mit evolutionären Prozessen assoziierter Organismengruppen über unterschiedliche Zeitskalen, sogar über geologischer Zeiträume hinweg, kombiniert werden können. Mittels moderner molekularer und bioinformatischer Methoden sowie Kultivierungs- und Isolationstechniken sollen evolutionäre, insbesondere co-evolutionäre Prozesse von Populationen/Arten im ariden Lebensraum untersucht werden. Primäres Ziel ist es, populationsgenetische Diversitätsmuster symbiontischer Protisten, welche im Darm endemischer Insektenpopulationen vorkommen und zum Großteil genetisch separiert sind, im Zusammenhang mit den Wirtspopulationen zu untersuchen (B02). Darüber hinaus gilt es die genetische Struktur der Protistenpopulationen, welche mit einem bestimmten Microbiom (z. B. Rhizosphäre/Phyllosphäre; B04) assoziiert sind, im Zusammenhang mit dem Boden (B05) und der 'Wirts'-Pflanze (B01) zu analysieren, wobei die fragmentierten Salare in der Atacama von gesondertem Interesse sind.

Teilprojekt B04: Bakterien: Verteilung und Aktivität von Mikroorganismen in der Atacama Wüste

Das Projekt "Teilprojekt B04: Bakterien: Verteilung und Aktivität von Mikroorganismen in der Atacama Wüste" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz, Arbeitsgruppe olekularbiologie der Rhizosphäre durchgeführt. Das mikrobiologische Projekt des SFBs thematisiert die Aktivität und Biogeographie der Mikroorganismen in der Atacama. Primäres Ziel ist die Analyse biogeographischer Muster von Mikroorganismen der Phyllosphäre, Rhizosphäre bzw. Boden ausgesuchter Modelpflanzen. Ein Vergleich der Verbreitung der im SFB untersuchten Organismen mit dem Mikrobiom und dessen Verbreitung soll korrelierte Migrationsprozesse aufzeigen. Darüber hinaus zielen wir auf die Identifikation von Umweltfaktoren, welche die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften in diesem extremen Habitat bedingen. Ein zweiter Schwerpunkt liegt in dem Revitalisierungspotential ruhender Mikroorganismen in Wüstenböden in Abhängigkeit von Wasser. Ziel ist es aktive Mikroorganismen zu identifizieren, um die mikrobiell getriebenen biogechemischen Konversionsprozesse zu verstehen, sowie die Bodenoberflächenprozesse, welche die Landschaftsentwicklung in der Wüste beeinflussen.

Der Nadelblatt-Apoplast der Fichte als Lebens- und Reaktionsraum für autotrophe Nitrifizierer

Das Projekt "Der Nadelblatt-Apoplast der Fichte als Lebens- und Reaktionsraum für autotrophe Nitrifizierer" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung, Fraunhofer-Institut für Atmosphärische Umweltforschung durchgeführt. Eigene Untersuchungen in einem hohen atmogenen N-Eintrag sowie erhöhten NH3- und NO2-Konzentrationen in der Außenluft ausgesetzten Fichtenwald-Ökosystem zeigen erstmals, dass autotrophe Nitrifizierer einen für diese Mikroorganismen zuvor nicht identifizierten Lebensraum, die Phyllosphäre, wahrscheinlich den Nadelapoplasten, besiedeln. Erste Ergebnisse aus in situ-Begasungsexperimenten von Fichtenzweigen dieses Standorts mit NH3 bzw. mit NH3 plus 10 Pa C2H2 (als Inhibitor der Ammoniak-Monooxygenase: AMO) deuten darauf hin, daß die beobachtete NH3-Aufnahme über die Fichtennadeln nicht allein auf pflanzliche Aktivität zurückgeführt werden kann, sondern das autotrophe Nitrifizierer hierzu wesentlich beitragen. Ziel des Vorhabens ist es, unter Einsatz molekularbiologischer und mikroskopischer Techniken (confokales LSM) zum einen die Besiedlung des Nadel-Apoplasten von Fichten durch autotrophe NH3- und NO2-Oxidierern zu charakterisieren, zum anderen die Aufnahme von atmosphärischem NH3 und NO2 in die Nadelblätter in Abhängigkeit von dieser Besiedlung zu quantifizieren. Zu diesem Zweck sollen an zwei unterschiedlich stark atmogenen N-Einträgen ausgesetzten Fichten-Standorten die Nitrifizierer im Nadel-Apoplasten genau lokalisiert und deren Zellzahlen quantifiziert werden. Diese Daten sollen mit Ergebnissen aus NH3-Gaswechselmessungen korreliert werden, die mit bzw. ohne C2H2 als Inhibitor der AMO durchgeführt werden. Darüber hinaus soll die NH3- sowie NO2-Aufnahme an sterilen bzw. mit Nitrifizierern inokulierten Fichtenjungpflanzen parametrisiert sowie im Rahmen von 15NO3-Nachweis in der apoplastischen Waschflüssigkeit die Nitrifiziereraktivität zusätzlich nachgewiesen werden.

Konsequenzen der Massenvermehrung phytophager Insekten für Ökosystem-Funktionen auf verschiedenen Zeitskalen in Kiefernwäldern Nordost-Deutschlands; Auswirkungen von Massenvermehrungen phytophager Insekten auf biogeochemische Prozesse und mikrobiologische Aktivitäten in Baumkronen und Böden

Das Projekt "Konsequenzen der Massenvermehrung phytophager Insekten für Ökosystem-Funktionen auf verschiedenen Zeitskalen in Kiefernwäldern Nordost-Deutschlands; Auswirkungen von Massenvermehrungen phytophager Insekten auf biogeochemische Prozesse und mikrobiologische Aktivitäten in Baumkronen und Böden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Göttingen, Büsgen-Institut, Abteilung Ökopedologie der gemäßigten Zonen durchgeführt. Insektenkalamitäten können Menge und chemische Zusammensetzung von gelöster und partikulärer organischer Substanz (DOM, POM) innerhalb des Transfers zwischen Baumkronen und Boden verändern. Dies kann mikrobielle Aktivitäten in der Phyllosphäre und im Boden beeinflussen, was zu veränderten C und N Umsätzen führt. Projektziel ist, die C und N Verbindung zwischen Kronenraum und Boden in 60-jährigen Kiefernwäldern (Pinus silvestris L.) unter Insektenbefall zu untersuchen. Um die Hypothese zu testen, dass Massenvermehrung von herbivoren Insekten den C und N Umsatz in Kiefernwäldern steigert, wird (1) der Eintrag quantifiziert: DOM und POM Flüsse vom Kronenraum in den Boden, (2) Mechanismen bewertet: Effekte durch leicht- und schwerabbaubare Verbindungen in DOM und POM (Phenole, Lipide, Kohlenhydrate, Proteine, freie Aminosäuren) auf Kronen- und Bodenmikroorganismen (mikrobielle Biomasse, Enzymaktivitäten), sowie biogeochemische Prozesse (C-Mineralisierung) im Boden und (3) Konsequenzen quantifiziert: Treibhausgasemissionen (THG) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) vom Boden. Veränderte C und N Pfade werden über neu entwickelte Algorithmen modelliert, um langfristige Auswirkungen auf ökosystemarer Ebene abzuschätzen. Damit wird der Kurzschluss zwischen erhöhter DOM und POM Produktion im Kronenraum durch Herbivore einerseits, mit C und N Einträgen im Boden und Umsatzprozesse andererseits analysiert und modelliert.

Die Entwicklung hochwirksamer und biologisch abbaubarer Fungizide mit geringer off-Target-Toxizität auf der Basis afrikanischer Medizinalpflanzen zur Bekämpfung des Falschen Mehltaus im Weinbau

Das Projekt "Die Entwicklung hochwirksamer und biologisch abbaubarer Fungizide mit geringer off-Target-Toxizität auf der Basis afrikanischer Medizinalpflanzen zur Bekämpfung des Falschen Mehltaus im Weinbau" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Julius Kühn-Institut Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI), Institut für Pflanzenschutz Obst- und Weinbau, Außenstelle Geilweilerhof durchgeführt. Phytopathogene Pilze werden zunehmend zu einem Problem für die globale Versorgung mit Nahrungsmitteln. Gerade für den Ökolandbau ist, bedingt durch die Kupfer-Problematik, die Identifizierung neuer Wirkstoffe von großer Bedeutung. Im beantragten Projekt sollen Pflanzenextrakt-basierte ('Botanicals') Alternativen erforscht und entwickelt werden. Basis hierfür sind ostafrikanische Baumarten, deren meist aus Blättern gewonnenen Extrakte hochwirksam gegenüber verschiedenen, wirtschaftlich relevanten Schadpilzen sind, bei gleichzeitig nur geringer Human- und Insektentoxizität. Die Aufgaben von JKI-OWS unterteilen sich in zwei Arbeitspaket-Komplexe: 1) Verfügbarhaltung der zu untersuchenden Pilzarten Plasmopara viticola und Botrytis cinerea. Dieser Komplex umfasst die Anzucht von Pflanzen- und Pilzmaterial, die genetische Charakterisierung der Pathogene, Labortests an Blattscheiben, Gewächshaustests an Topfpflanzen. 2) Untersuchungen zur pilzlichen Lebensgemeinschaft der Phyllosphäre unter dem Einfluss biotischer und abiotischer Faktoren. Dieser Komplex umfasst die Erarbeitung einer geeigneten Methodik, die Probenahmen, die eigentlichen Untersuchungen zur Biodiversität, sowie die Auswertung der gewonnenen Daten auch mit Hinblick auf ein mögliches antagonistisches Potential.

Teilprojekt: Einfluss der Landnutzung auf die funktionelle Rolle von Pilzen der Phyllosphäre beim Streuabbau

Das Projekt "Teilprojekt: Einfluss der Landnutzung auf die funktionelle Rolle von Pilzen der Phyllosphäre beim Streuabbau" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bochum, Fakultät für Biologie und Biotechnologie, Lehrstuhl für Evolution und Biodiversität der Pflanzen, Arbeitsgruppe Geobotanik durchgeführt. Die Rotbuche (Fagus sylvatica) ist einer der bedeutendsten und best-untersuchten Bäume in Mitteleuropa. Wie alle Bäume beherbergt sie eine hochdiverse endophytische Pilzgemeinschaft, deren Struktur aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren bislang kaum verstanden ist. Noch weniger ist über ihre Bedeutung für Ökosystemprozesse wie Kohlen- und Stickstoffkreislauf bekannt. Aktuelle Studien zeigen zumindest, dass ein wesentlicher Teil der endophytischen Pilze auch in der Laubstreu vorkommt und die enzymatische Ausstattung besitzt dieses abzubauen.Wir wollen biogeographische und saisonale Muster endophytischer Pilzgemeinschaften in Buchenblättern in Abhängigkeit von Landnutzung erforschen, ihre Rolle beim Streuabbau beleuchten und die Lebenszyklen jener Pilze aufklären, die sowohl lebende als auch abgestorbene Blätter besiedeln. Unter der Annahme, dass Pflegemaßnahmen widerstandsfähige Buchen fördern, wollen wir prüfen ob forstwirtschaftliche Eingriffe den Anteil von endophytischen Pilzen erhöhen die an ihren Wirt bzw. ihr Habitat besonders angepasst sind. Weiterhin soll geklärt werden, ob diese Pilze verstärkt zum Nährstoffkreislauf beitragen, da sie Laubstreu effizienter abbauen als weniger angepasste Arten.Das Design der Biodiversitäts-Exploratorien eignet sich hervorragend um derartig komplexe Zusammenhänge aufzuzeigen, da Kooperationspartner viele Umweltparameter detailliert erfassen. Unsere umfassenden physiologischen und biochemischen Analysen der Blätter sollen weitere Einflussfaktoren erfassen, wodurch eine optimale Basis zur Interpretation der molekularen Daten gegeben ist. Next Generation Sequencing (NGS) von Markergenen in RNA und DNA-Extrakten soll saisonale Änderungen und Aktivitätsprofile der endophytischen und Blattstreu abbauenden Pilzgesellschaften auf dem Hintergrund der durch das Exploratorien Design repräsentierten regionalen, Umwelt- und Landnutzungsgradienten aufzeigen.Mittels NGS werden Metatranskriptome in der Blattstreu sequenziert, um die für den Streuabbau relevanten Gene zu erfassen die Pilzen exprimiert werden. Die zugrundeliegenden Prozesse und ausschlaggebenden Faktoren werden in Laborexperimenten genauer untersucht. Hier soll insbesondere der Einfluss vom Temperatur und chemischer Zusammensetzung der Streu auf die Abbauprozesse ermittelt werden.Das Projekt wird eine immense Menge an molekularen Daten zur Charakterisierung der endophytischen und streuabbauenden Pilzgesellschaften in den Exploratorien liefern. Die metatranskriptomischen Daten werden wohl auch Muster aufzeigen und Hypothesen initiieren, die weit über die im Vorfeld formulierten Hypothesen hinausgehen, insbesondere wenn sie zur Modellierung von Stoffkreisläufen und organismischen Interaktionen herangezogen werden. Entsprechend wird der hypothesengetriebene Ansatz durch datengetriebene Forschung ergänzt werden, von der wir wesentliche Impulse für zukünftige prozessorientierte Ökosystemstudien; nicht nur innerhalb der Biodiversitäts-Exploratorien.

Mikrobieller Verbrauch von Methanol in einem Grünland (MethanolSINK)

Das Projekt "Mikrobieller Verbrauch von Methanol in einem Grünland (MethanolSINK)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Institut für Landschaftsbiogeochemie durchgeführt. Grünländer sind global bedeutsame Quellen für atmosphärisches Methanol, einer der häufigsten und reaktivsten organischen Verbindungen (VOC) in der Troposphäre. In diesem Zusammenhang ist die Öko-Physiologie methanolnutzender Boden-Mikroorganismen bislang kaum untersucht worden. Vorlaufende Arbeiten des Antragstellers legen nahe, dass bislang unbekannte Mikroorganismen an der Methanoloxidation im belüfteten Boden beteiligt sind. Das beantragte Vorhaben wird aktive aerobe sowie anaerobe Methanol-Nutzer (inkl. grampositive Bakterien und Pilze) in einem Grünland untersuchen. An vier häufigen Grünland-Pflanzenarten wird mittels stabiler Isotopenbeprobung (SIP) untersucht werden, ob diese mit spezifischen Methanolnutzer-Gemeinschaften assoziiert sind. Im Verlauf einer Vegetationsperiode sollen außerdem der Methanolfluss und transkribierte Genmarker aktiver Methanolnutzer in dem zu untersuchenden Grünland erfasst werden. In einem ergänzenden Laborversuch wird das Verhältnis von boden-bürtigen zum aus oberirdischen Planzenteilen stammenden Methanol bestimmt werden, und 14C-Tracer-Experimente werden Aktivitäten im Boden und in der Phyllosphäre lokalisieren. Darüber hinaus werden anaerobe methanol-nutzende Mikroorganismen identifiziert und deren Abhängigkeit von ungewöhnlichen Spurenelementen (Seltene Erden) untersucht. In einer Zusammenarbeit mit J. Williams (MPI Mainz) und A. Held (Universität Bayreuth) werden in situ Methanolflüsse mittels Protonentransfer-Massenspektrometrie (PTR MS) bestimmt, um Flussdaten mit in situ aktiven Mikroorganismen korrelieren zu können. Ergebnisse der Arbeiten werden die Grundlage für künftige Abschätzungen zum Methanolfluss auf Ökosystemebene sein, basierend auf der Physiologie einzelner Mikroorganismen und deren Verteilung im Grünland.

Die Bedeutung der Mikroorganismen als Senke für atmosphärisches Chlormethan (CHLOROFILTER)

Das Projekt "Die Bedeutung der Mikroorganismen als Senke für atmosphärisches Chlormethan (CHLOROFILTER)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Institut für Landschaftsbiogeochemie durchgeführt. Ein deutsch-französisches Konsortium, bestehend aus Mikrobiologen und Atmosphärenforschern, wird die Bedeutung von Mikroorganismen für das globale Budget von atmosphärischen Chlormethan (CH3Cl) untersuchen. Anthropogene Emissionen von ozonzerstörenden halogenierten Gasen (FCKWs) wurden seit dem Inkrafttreten des Montreal-Protokolls im Jahre 1989 erheblich reduziert. Dadurch nahm die Bedeutung natürlicher Quellen halogenhaltiger Gase, wie CH3Cl, für die Ozonzerstörung in der Stratosphäre wieder zu. Das chlorhaltige Gas ist die am häufigsten vorkommende halogenhaltige organische Verbindung in der Atmosphäre und wird vornehmlich von terrestrischen Ökosystemen emittiert. Das meiste CH3Cl wird durch lebende Pflanzen und abgestorbenes Pflanzenmaterial, aber auch durch Wald- und Steppenbränden freigesetzt. Durch den drohenden Klimawandel und den zu erwarteten höheren Temperaturen werden die CH3Cl-Emissionen terrestrischer Ökosystemen dementsprechend in Zukunft vermutlich ansteigen. Allerdings sind die quantitativen Abschätzungen der CH3Cl-Quellen und -Senken bisher mit großen Unsicherheiten behaftet. Mikroorganismen könnten beim Abbau von atmosphärischem CH3Cl eine wesentlich größere Rolle spielen als bisher angenommen. Methylotrophe Mikroorganismen, von denen einige die Fähigkeit besitzen CH3Cl abzubauen, findet man in Böden und in der Phyllosphäre vieler Pflanzen. Jüngst wurden sogar metabolische aktive Methylotrophe in Wassertropfen von Wolken nachgewiesen. Die Antragsteller sehen die Hauptaufgabe des beantragten Projektes darin, ein vertieftes Verständnis des mikrobiellen CH3Cl-Abbaus auf Prozessebene wie auch auf genetischer Ebene zu erzielen. Das Konsortium wird kinetische und Isotopeneffekte während des Abbaus von CH3Cl durch Mikroorganismen im Boden, in der Phyllosphäre und in Wolken beispielhaft untersuchen. In verschiedenen Umweltproben werden mikrobiellen Gemeinschaften mittels Amplikon-basierter Next Generation Sequencing-Technologie anhand eines taxonomischem (16S-rRNA-Gen) und einem funktionellem Genmarker (cmuA) untersucht. Ausgewählte Umweltproben werden dann dem schweren 13C-Isotopolog von CH3Cl ausgesetzt, um die Biomasse der CH3Cl-umsetzenden Mikroorganismen zu markieren. Metagenome 13C-markierter DNA werden anschließend mittels einer Kombination von DNA-basierter Stabiler-Isotopen-Beprobung, Whole Genome Amplification und MiSeq (Illumina)-Hochdurchsatzsequenzierung gewonnen. Diese Untersuchungen werden die Diversität der mikrobiellen Abbauwege für CH3Cl erfassen und letztlich die Entdeckung neuer Methyltransferasen und weiterer Gene, die am CH3Cl Stoffwechsel beteiligt sind, ermöglichen. Dieser metagenomische Ansatz wird neue Einsichten in den Stoffwechsel von CH3Cl-abbauenden Gemeinschaften in Böden, der Phyllosphäre und Wolken ermöglichen. Kinetische und Isotopendaten werden zu einer Einschätzung zur quantitativen Bedeutung mikrobieller Senken für das globale CH3Cl-Budget führen.

Metabolomics of exploding ants: Is voluntary self-sacrifice a mechanism to defend co-evolved microbiomes?

Das Projekt "Metabolomics of exploding ants: Is voluntary self-sacrifice a mechanism to defend co-evolved microbiomes?" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität für Bodenkultur Wien, Interuniversitäres Department für Agrarbiotechnologie durchgeführt. The mechanisms by which organisms compete for territory and resources are key processes in ecology. The carpenter ants in the Camponotus (Colobopsis) cylindricus complex ( COCY, or exploding ants) that dominate arboreal habitats in rain forests on Borneo, have evolved a so-far unique and remarkable behaviour: In territorial combat with enemy ants and other arthropods they sacrifice themselves by rupturing (autothysis) and releasing sticky and irritant contents of their hypertrophied mandibular glands to kill rivals. Voluntary self-sacrifice is very rare in nature, undoubtedly due to attendant fitness losses. It is known in termites and honeybees, where effective deployment in defence of the nest may leave self-sacrificing workers with indirect fitness. Contrary to that, workers of COCY ants forage solitarily and explode during one-on-one confrontations far from nests. Thus they are defending the territory against potential competitors probably for continuously renewing food resources such as phyllosphere microbes. The hypothesis of this project is that autothysis of ants far from their nests is a mechanism employed by COCY ants to protect a specific microbiome that co-evolved with them and which they use for nutrition. For this purpose we will study evolution of COCY ants and phyllosphere microbiomes on their foraging grounds. Our project will identify a new and major type of interaction between dominant rainforest insects, their associated microorganisms and plants.

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