Das Projekt "Mikrobielle Aktivitäten im C- und N-Stoffhaushalt in der Phyllosphäre von Buchen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung e.V., Institut für Landschaftsstoffdynamik durchgeführt. Zielsetzung: Nachweis mikrobieller Enzymaktivitäten im Kronenbereich von Buchen und Aufklärung ihrer Beziehungen zu den C- und N-Flüssen in Bestandesniederschlägen.
Das Projekt "FACE2FACE: Folgen des Klimawandels, Anpassung an den Klimawandel und Verminderung der Treibhausgas-Emissionen bis 2050" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Institut für Pflanzenökologie (Botanik II) durchgeführt. Atmosphärisches CO2 ist neben Wasserdampf das wichtigste klimarelevante Gas, ist zunehmend anthropogenen Ursprungs und stellt die wichtigste Komponente des globalen Klimawandels dar. Gleichzeitig hat CO2 eine Vielzahl von Auswirkungen auf das Kontinuum 'Boden-Pflanze-Atmosphäre', auf Mikroorganismen sowie Pathogene und Insekten. Deren Interaktionen sind aber weitgehend unverstanden und sollen deshalb in diesem Schwerpunkt untersucht werden. Darüber hinaus gibt es zwar erste Studien über Auswirkungen erhöhter CO2-Konzentrationen auf Inhaltsstoffe der Pflanzenbiomasse in verschiedenen Ökosysteme oder im landwirtschaftlichen Erntegut, aber nur wenige Hinweise auf physiologische und inhaltsstoffliche Veränderungen bei ökonomisch bedeutsamen Spezialkulturen. Die Komplexität dieser Effekte und Interaktionen lassen sich nur mittels großer Freiland-Forschungsinfrastrukturen untersuchen, den sogenannten FACE-Systemen (Free Air Carbon Dioxide Enrichment), von denen weltweit nur ca. 20 aktive Anlagen v.a. für ackerbauliche Kulturen oder unterschiedliche terrestrische Ökosysteme existieren (http://public.ornl.gov/face/global-face.shtml). Im LOEWE-Schwerpunkt FACE2FACE sollen ein bestehendes und zwei neue hessische FACE-Systeme (Justus-Liebig-Universität Gießen - JLU, Hochschule Geisenheim in Gründung - HSGM) zu einer Forschungsplattform verzahnt werden. Ziel ist es, sowohl kurz- wie auch langfristige Veränderungen einer erhöhten atmosphärischen CO2-Konzentration (Bedingungen prognostiziert für ca. 2050) auf die Agrar-Ökosysteme Grünland, Feldgemüse, Weinbau sowie Obst- und Strauchgehölze zu untersuchen. Dabei liegt der Fokus in der ersten Phase des Projektes, die den Kern des beantragten LOEWE-Schwerpunktes bildet, auf den Untersuchungen der Auswirkungen, Mechanismen und Rückkopplungseffekte einer erhöhten CO2-Konzentration (CO2)e und Temperatur auf die Emissionen klimarelevanter Spurengase aus dem Boden, mikrobiellen Veränderungen im Boden und der Phyllosphäre sowie physiologischen und inhaltsstofflichen Veränderungen in Grünland, und bei zwei Spezialkulturen (Gemüse, Reben). Der Schwerpunkt ist aufgegliedert in drei Projektbereiche. Im Projektbereich A werden experimentelle Daten erhoben und dienen als Grundlage für statistische und dynamische Modellanalysen sowie für Langzeitprojektionen im Projektbereich B. Auf den Ergebnissen dieser beiden Projektbereiche basiert der Wissenstransfer in Politik, Beruf, Schule sowie Universität des Projektbereichs C. Die Vernetzung innovativer Forschungsansätze soll dabei die Voraussetzung schaffen, um mittel- bis langfristig zur Entwicklung von Klimawandel-Anpassungs- und Verminderungsstrategien in der hessischen Landesplanung und darüber hinaus zu gelangen.
Das Projekt "Mikrobielle Stofftransformationen von atmosphärischem Nmin (NH4+ und NO3-) in gelöste organischen N-Verbindungen (DON) in der Phyllosphäre und der Streuschicht eines Kiefernwaldes" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Institut für Primärproduktion und Mikrobielle Ökologie durchgeführt. Zielsetzung: Quantitative Abschätzung der mikrobiellen N-Transformation an Baumnadeln im Kronenbereich und des Verbleibs von gelöstem organischen Stickstoff (DON) in der Streuschicht.
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.
Das Projekt "Einfluß von Bewirtschaftungsformen des Grünlandes auf die Belastung von Futtermitteln mit mikrobiellen Toxinen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Institut für Landnutzungssysteme und Landschaftsökologie durchgeführt. Extensive Nutzungsformen des Grünlandes können unter dem Einfluss einer reduzierten Schnitthäufigkeit und Düngung zu veränderten ökologischen Bedingungen im Pflanzenbestand führen. Dabei werden insbesondere auf nährstoffreichen Standorten Voraussetzungen geschaffen, die einen signifikanten Anstieg der Besiedlung der Phyllosphäre mit Mikroorganismen zur Folge haben und damit die Gefahr der Bildung und Anreicherung von toxischen Stoffwechselprodukten und Zellinhaltsstoffen im Futter erhöhen. In den Untersuchungen wird die Populationsdynamik von Bakterien, Schimmelpilzen und Hefen und deren Bildung von Mykotoxinen und Endotoxinen in Abhängigkeit von der Nutzung charakterisiert. Gleichzeitig sollen biotische und abiotische Faktoren als Einflussgrößen determiniert werden, um kausale Funktionen und Prozesse aufzuklären. Ein wichtiges Ziel besteht darin, eventuell Vorhersagen zur Pathogen- und Toxinbelastung der Futtermittel zu ermöglichen bzw. auf deren Grundlage Empfehlungen zu Bewirtschaftungsmaßnahmen abzuleiten.
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.
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.
Das Projekt "Grundlagen zur nachhaltigen Entwicklung von Oekosystemen bei veraenderter Umwelt - Teilprojekt B2: Blattlausoekologie und Beziehung zu Oekosystemprozessen (DOC, DON-Fluesse) in einem Eichen-Buchen Wald" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung, Abteilung Tierökologie durchgeführt. Oekosystemare Forschungsansaetze schreiben phytophagen Insekten gewoehnlich nur geringe Bedeutung fuer Stofffluesse zu, da ihre Biomasse im Vergleich zur Pflanzenbiomasse gering ist. Blattlaeuse zeichnen sich aber insbesondere dadurch aus, dass sie grosse Mengen an zuckerhaltigen Exkrementen (Honigtau) ausscheiden koennen, die ihr Koerpergewicht um ein vielfaches uebersteigen. Der Honigtau wiederum dient als energiereiche C-Quelle fuer viele Insekten und Mikroorganismen in der Phyllosphaere und Rhizosphaere. Damit besitzen Blattlaeuse eine Schluesselfunktion, indem sie die Verteilung und Abundanz zahlreicher weiterer Organismen beeinflussen koennen. Darueber hinaus sind Auswirkungen auf die Stoff- und Energiefluesse in einem Waldoekosystem zu erwarten (z.B. auf deren zeitliche Dynamik und raeumliche Heterogenitaet). Die zoologischen Untersuchungen versuchen deshalb zu klaeren, welche Faktoren auf individueller und Populationsebene das Ausmass der Honigtauproduktion in einem Buchen-Eichenwald bestimmen. Dazu werden Laboruntersuchungen zur Reproduktionsbiologie und Honigtauproduktion unter kontrollierten Versuchsbedingungen und Freilanduntersuchungen durchgefuehrt. Im naechsten Schritt werden die Auswirkungen und Dynamik der Honigtauproduktion auf Mikroorganismen der Phyllosphaere und auf die Stofffluesse durch den Kronenraum von Eichen und Buchen untersucht, wobei der Schwerpunkt der Analysen auf dem geloesten organischen Kohlenstoff (DOC) und geloesten organischen Stickstoff (DON) liegt. Die Verknuepfung von Untersuchungen auf verschiedenen Skalenebenen (Individuum, Populationen, Oekosystem) koennte einen wichtigen Beitrag leisten, um Prozesse des C- oder N-Haushaltes in einem Oekosystem besser zu verstehen und um die traditionellen Biomasseansaetze zu erweitern. Der Identifikation von Schluesselprozessen auf den jeweiligen Beobachtungsniveaus wird dabei zentrale Bedeutung zukommen. Zwischenbericht 1999: Phytophage Insekten koennen deutliche Auswirkungen auf bewaldete Oekosysteme haben. Ihr Beitrag zum Energie- und Naehrstofffluss ausserhalb von Massenvermehrungsphasen ist allerdings weniger klar. Unsere Untersuchungen zeigten, dass unterschiedliche Herbivorenarten (Blattlaeuse, Mottenraupen) sehr aehnliche Effekte auf heterotrophe, epiphytische Mikroorganismen hatten. Bakterien, Hefen und filamentoese Pilze gediehen besser auf Nadeln und Blaettern von befallenen Baeumen. Die biotischen Wechselwirkungen zwischen Herbivoren und Mikroorganismen im Kronenraum von Fichten und Eichen hatten Auswirkungen auf die Kronentraufenchemie. Waehrend der Perioden der hoechsten Populationsdichten und Frassaktivitaeten waren die Konzentrationen an geloestem organischen Kohlenstoff (DOC) hoeher unter befallenen Baeumen, dagegen waren die Konzentrationen von NH4-N und NO3-N niedriger. Die Ergebnisse zeigten, dass bereits geringe Herbivorendichten eine Reihe von Prozesskaskaden ausloesen, die die vertikalen Naehrstoffzyklen durch den Kronenraum von Baeumen beeinflus
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.
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.
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