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Die systematische Untersuchung des Zusammenspiels von Transformationsprozessen in der Rhizosphäre mit Fokus auf Mucilage und Wurzelhaare und deren Kopplungen zur Bodenstruktur, Geochemie, Mikrobiologie und zu hochskalierten Bodenfunktionen wird zur zentralen Frage des PP beitragen, wie Resilienz aus selbstorganisierter raum-zeitlicher Musterbildung in der Rhizosphäre entsteht. Mechanistische, mathematische Modelle in Form von kombinierten zellulären Automaten und PDE/ODE-Systemen auf der Mikroskala bieten die Möglichkeit, Skalen durch Homogenisierungstechniken zu überbrücken.H1: Die Entwicklung der Selbstorganisation in der Rhizosphäre in Verbindung mit den raum-zeitlichen Mustern von Nährstoffen, Wasser und Biomasse kann mit der realisierten Erweiterung des Simulationswerkzeugs nun untersucht werden.H2: Der Zusammenhang zwischen Bodenstrukturbildung, Habitatbedingungen - auch beeinflusst durch die Produktion und den Abbau von Schleimstoffen - und den mikrobiellen Gemeinschaften.H3: Die Größe der Rhizosphäre wird durch die radiale Ausdehnung der Strukturbildung bestimmt, die durch die Wurzelaktivität/Morphologie gesteuert wird.Wir wollen insbesondere das Zusammenspiel von Bodenstruktur (Porosität), Wurzelexudaten und für die Pflanze relevanten Transporteigenschaften untersuchen. Damit adressieren wir die Schwerpunkte Aggregatbildung/Bodenstruktur mit Porenskalenmodellierung und Wasserfluss/Mucilage, und insbesondere die Forschungsfragen der Phase 2:III. Wie interagieren Kohlenstofffluss und Struktur (mit P19, P22)?V. Welche Relevanz hat Mucilage für das System Boden-Pflanze in Bezug auf Trockenheitsresilienz; trotz des mechanistischen Verständnisses auf der Mikroskala - Beweise für Relevanz auf der Systemskala, System Pflanze-Boden fehlen noch (mit P4,P5,P23,P24)VI. Was ist die mechanistische Funktion von Wurzelhaaren - Quantifizierung der Aufrechterhaltung der hydraulischen Kontinuität, der Auswirkung auf die Nährstoffaufnahme und der Ausdehnung von Verarmungszonen (mit P7,P4).In enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Partnern evaluieren wir das Zusammenspiel der Mechanismen in konkreten SPP Settings und werden dabei auch auf die von P21 identifizierten raum-zeitlichen Muster aus hochauflösender korrelativer Bildgebung Bezug nehmen. Die notwendige Grundlage für 3D-Simulationen werden parallelisierte, effiziente Algorithmen und Machine Learning sein, um das Upscaling von Bodenfunktionen systematisch zu untersuchen. Das Simulationswerkzeug liefert seinen Wert durch die Fähigkeit, Einflussfaktoren und Mechanismen durch Abstraktion relevanter Prozesse zu veranschaulichen, zu vergleichen und aufzudecken. Es soll nicht die Datenkurven der Experimente "nachzeichnen", sondern neue Erkenntnisse durch die separate Analyse, aber auch die Untersuchung des Zusammenspiels mehrerer Prozesse in einer integrativen Simulation gewinnen. Damit soll es eine Wissenslücke schließen, die Experimente allein derzeit nicht füllen können.
Störungen wie Trockenheit oder Sturm, welche zum Verlust des Kronendachs führen, verändern mikroklimatische Bedingungen und damit die Streuumsetzung und den Kohlenstoffkreislauf in Waldökosystemen. Ein Nadelöhr der Streuumsetzung ist der Abbau von Lignin, der nicht nur durch Mikroorganismen, sondern auch abiotisch unter dem Einfluss von Sonnenstrahlung und Wärme erfolgt. Gerade in gestörten Waldökosystemen Mitteleuropas können Quantität und Qualität der organischen Bodensubstanz durch abiotischen Ligninabbau und seiner synergistischen Wirkungen maßgeblich beeinflusst werden. Hierzu ist bislang jedoch wenig bekannt. Um den Einfluss des fehlenden Kronendachs auf die Streuumsetzung auf Störungsflächen im Wald zu erkennen und zu quantifizieren, werden wir folgende Hypothesen testen: (H1) Der abiotische Abbau des Lignins nimmt mehr mit der Lichtintensität als mit der Temperatur und abnehmender Feuchte zu. (H2) Beim abiotischen Abbau des Lignins entstehen Abbauprodukte, die stärker depolymerisiert sind als Abbauprodukte der Rotfäule und weniger funktionelle Sauerstoffgruppen enthalten als Abbauprodukte der Weißfäule. (H3) Abiotischer Ligninabbau in der Humusauflage begünstigt Bakterien gegenüber Pilzen, und fördert die Produktion von gelöster organischer Substanz reich an depolymerisierten und desoxygenierten Ligninverbindungen. (H4) Geht also das Kronendach verloren, führt verstärkter Lichtintensität und die damit einhergehende abiotische Depolymerisierung und Desoxygenierung dazu, dass organische Substanz, die aus der Humusauflage in den Mineralboden gelangt, für Mikroorganismen schlechter abbaubar ist und eine geringere Affinität zu Bodenmineralen aufweist. Wir werden diese Hypothesen testen, indem wir zunächst in Laborinkubationsexperimenten mit Modellsubstanzen sowie Fichten- und Buchenstreu unter kontrollierten Licht-, Feuchte- und Temperaturbedingungen und unter Nutzung standardisierter mikrobieller Inokula die abiotischen Abbauraten sowie die entstehenden Ligninabbauprodukte mittels wässrige Extrakte, Kupferoxid-Oxidation sowie Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und bestimmen. Außerdem wir in diesen Inkubationsexperimenten die Reaktion von Pilzen und Bakterien auf den abiotischen Abbau mittels Analyse von Zersetzungsart, Phospholipidfettsäuren sowie mikrobiellem Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor bestimmt. Weiter werden wir in Fichtenmischbeständen entlang eines Störungsgradienten im Nationalpark Schwarzwald die in-situ-Transformation von 13C-markierter Buchenstreu untersuchen. Während einer gleichzeitigen zweijährigen Inventur in diesen Fichtenmischbeständen werden außerdem Indikatoren abiotischen Abbaus sowie die Reaktivität und Stabilität der organischen Bodensubstanz erfasst. In der Gesamtschau werden die Ergebnisse unseres Projekts es ermöglichen den abiotischen Ligninabbau zu quantifizieren und somit seine Bedeutung für die Entstehung und Stabilität der organischen Bodensubstanz auf Störungsflächen im Wald zu ermitteln.
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.
Die neuseeländischen Südalpen bieten ein ideales Umfeld für Studien der Bodenentwicklungsprozesse entlang der Chronosequenzen aufgrund der hohen Frequenz an Erdrutschen. Die Erdrutsche in den neuseeländischen Südalpen wurden in früheren geomorphologischen und geochemischen Forschungsarbeiten umfassen studiert und zeichnen sich zudem durch eine gute Zugänglichkeit aus. Allerdings waren die ökologischen Aspekte der Ökosystemherstellung hauptsächlich von der Perspektive der Vegetation untersucht. Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Untersuchung der Ökosystemherstellung mit Schwerpunkt auf mikrobiellen Prozessen in Böden entlang einer Erdrutsch Chronosequenz. Prokaryotischen (Bakterien; Archeen) und eukaryotischen (Algen; Pilze) Bodenmikrobengemeinschaften und ihre Funktionspotenziale werden in Kombination mit geochemischen Analysen, Messungen der Emissionen der Respirationsgase und physiologischen Studien der nitrifizierenden Mikroorganismen studiert. Die Daten werden es ermöglichen, ein holistisches Bild der Ökosystementwicklung zu präsentieren und die Rolle der Mikroorganismen bei der Besiedlung von Initialhabitaten zu untersuchen. Die Identifizierung der dominanten mikrobiellen Taxa und Funktionspotentiallen entlang einer Chronosequenz kann außerdem als eine zusätzliche Methode zur Erkennung des Sukzessionsstatus des Ökosystems bieten. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt wird in sich einen bottom-up und top-down Ansätze der Ökosystemforschung kombinieren. Dabei werden die mikrobiellen Gemeinschaften auf Grundlage ihrer molekularen Identität und ihres funktionellen Geninventars mit Feldmessungen der Respirationsgasflüsse und physiologischen Studien zusammen untersucht. Das Forschungsprojekt wird sich auf die folgenden Fragen fokussieren: (a) Zeichnen sich die Erdrutschböden entlang einer Chronosequenz durch unterschiedliche Kerngemeinschaften aus und dominieren bestimmte Taxa?(b) Wie verändern sich die Flüsse der wichtigsten Respirationsgase (CO2, CH4, N2O) während der Sukzession und wie korrelieren diese mit dem funktionellen Geninventar und der Zusammensetzung der Bodenmikrobengemeinschaften?(c) Wie beeinflusst der Gehalt an reaktiven Stickstoff (z. B. Ammonium) die Zusammensetzung der Gemeinschaften von nitrifizierenden Mikroorganismen?Innovation - Dieses Projekt wird die Primärsukzession aus der Perpektive der Entwicklung der Bodenmikrobengemeinschaften und deren Funktionen untersuchen. Die Studie wird prokaryotische und eukaryotische Analysen kombinieren. - Entwicklung der Erdrutschböden wird in einem holistischen Ansatz studiert, indem molekulare Techniken in Kombination mit geochemischen Untersuchungen und Feldmessungen der Flüße der Respirationsgase integriert werden. - Mikroorganismen, die Nitrifikationsprozess in untersuchten Böden katalysieren, werden angereichert und ihre Physiologie studiert. Somit wird die Evolution eines der Schlüsselprozesse des N Zyklus in einer Boden Chronosequenz untersucht.
Sensorbasiertes Bodenmonitoring, welches infrarotspektroskopische (IR)-Verfahren (Vis/NIRS, MIRS) und energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) einsetzt, kann Bodeneigenschaften, die essentiell zur Ableitung und Bewertung von Bodenfunktionen sind, in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung quantifizieren. Bestehende Defizite der optimalen Datenerhebung und Datenauswertung bei stationären und mobilen sensorbasierten Verfahren erschweren jedoch kritische Beurteilungen der Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren. Im Rahmen des Antrags wird eine Optimierung der stationären und mobilen IR- und XRF-Datenerhebungen für spektral aktive Bodeneigenschaften für repräsentative Bodentypenkomplexe ausgewählter Bodenlandschaften angestrebt. Die Einzelmethoden werden hinsichtlich Messmodi (diffuse Reflexions-Infrarot Fourier-Transformation vs. abgeschwächter Totalreflexionsmodus für MIRS, Pulver vs. Presslinge für XRF), Probenvorbereitungen (in-situ, getrocknet, getrocknet und gesiebt, getrocknet und gemahlen), Messbedingungen und notwendiger Stichprobenanzahlen optimiert. Spezifische Tiefenfunktionen für die unterschiedlichen Bodeneigenschaften werden für ausgewählte Musterprofile definiert. Ein systematischer Vergleich von Kalibrations-Algorithmen zur Quantifizierung spektral aktiver Bodeneigenschaften mittels Vis/NIRS, MIRS und XRF erfolgt bei Verwendung linearer und nicht-linearer Ansätze und Spektren-Dekonvolution in Abhängigkeit von unterschiedlichen Stichprobengrößen in multiplen Partitionierungen. Dabei werden Spektralvariablenselektion und Spiking bei Verwendung bestehender Datenbanken eingesetzt. Die Genauigkeit der Bodenprofilcharakterisierung durch portable und laborbasierte spektroskopische Verfahren sowie die potentielle Übertragbarkeit kalibrierter Schätzmodelle werden systematisch an einzelnen Profilen der betrachteten Bodentypenkomplexe untersucht. Die Analyse der standortspezifischen Beziehungen zwischen spektral aktiven und inaktiven bzw. spektral schlecht definierten Bodeneigenschaften erfolgt chemometrisch und mittels Regressionsanalysen unter Einsatz der spektral aktiven Bodeneigenschaften als Prädiktoren. Die synergetische IR- und XRF-Datenanalyse der stationären und mobilen Ansätze erfolgt auf Basis von low-, mid- und high-level sowie hybrider Datenfusionsansätze mit Schwerpunkten auf der Outer-Product-Analyse, einer low-level-Fusion mit nachfolgender automatischer Wellenlängenbereichs-Selektion, einer mid-level-Fusion bei jeweiliger Verwendung der Hauptkomponenten und high-level-Fusionen bei Verwendung der Ansätze nach Bates-Granger und nach Granger-Ramanathan.Dieses Projekt liefert die Werkzeuge, um die Datenerhebungen des sensorbasierten Bodenmonitorings zu optimieren, die Bestimmungsgenauigkeiten von unterschiedlich komplexen Bodeneigenschaften durch Datenfusionsansätze zu verbessern und die Anwendbarkeit sensorbasierten Monitorings für ausgewählte Bodentypenkomplexe räumlich und profilbezogen zu bewerten.
Wasserverfügbarkeit als Basis allen Lebens ändert sich in Raum und Zeit, besonders in der heutigen und zukünftigen anthropogen beeinflussten Umwelt. Gegenwärtig verhindern spezifische Wissenslücken ein vollständiges mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen von Pflanzenwurzeln, Bodenmikroben und bodenhydraulischen Eigenschaften. Um diese Wissenslücken zu schließen, vereint dieses Vorhaben komplementäre Expertisen dreier Teams, die die Interaktion zwischen Bodentextur, Pflanzenwurzeln und Arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMP) und deren Konsequenz für die Stressantwort von Pflanzen (Tomaten) unter Bodentrockenheit untersuchen. Das Projekt setzt sich aus drei eng verknüpften Arbeitspaketen (AP) zusammen. AP1 untersucht, wie AMP (i) die Photosynthese, (ii) die bodenhydraulischen Eigenschaften auf makroskopischer und der Porenskala beeinflussen und (iii) wie AMP Bodenwasser und Bodenphosphor für Pflanzen mobilisieren. Hierfür werden Synchrotron Röntgencomputertomografie und stabile (Deuterium), sowie radioaktive (Tritium, 32P, 33P) Isotopentechniken entlang eines Bodentextur- und Bodenfeuchtegradienten eingesetzt. In AP2 wird ein vollautomatisiertes Druckkammersystem eingesetzt, um die Beziehung zwischen Transpiration und Xylemwasserpotential in intakten Pflanzen entlang eines Bodenfeuchtegradienten in verschiedenen Texturen zu untersuchen. Zusätzlich werden Isotopenmarkierungen von Kohlenstoff (13C) und mobilem Stickstoff (15NO3-) kombiniert, um zu verstehen wie Ressourcenflüsse zwischen Pflanzen und Böden unter Trockenheit durch AMP beeinflusst werden. Um räumliche Abhängigkeiten des Ressourcenaustauschs in der Symbiose zu untersuchen, werden Neutronenradiografie mit 13C Markierungen kombiniert und in Pflanzversuchen eingesetzt, um zu zeigen in welcher Weise Pflanzen ihren Kohlenstoff zur Wasserakquise unterirdisch verteilen. Dies erfolgt in Pflanzsystemen, die eine heterogene Texturverteilung im Boden bereitstellen. AP3 nutzt die Daten der vorherigen APs um ein AMP-Infektionsmodul für funktional-strukturelle Pflanzenmodelle zu entwickeln, das die Einflüsse vom AMP auf Wachstum und Wurzelarchitektur quantifizieren kann. Weiterhin werden Pflanzenwasser- und Nährstoffaufnahme modelliert. Die Wasser- und Nährstoffflüsse im System werden als dynamische Größen quantifiziert unter der Berücksichtigung von Feedbacks zwischen Wurzeln, AMP und bodenhydraulischen Eigenschaften. Basierend auf diesen Modellen wird die Kohlenstoffinvestition von Pflanzen zur Ressourcenakquise durch Wurzeln und AMP bilanziert. Dieses Projekt wird unser mechanistisches Verständnis stärken, in welcher Weise die kosmopolitisch auftretenden AMP zur Pflanzentrockentoleranz in verschiedenen Bodentexturen beitragen können.
Angesichts der sich verschärfenden globalen Klimakrise besteht dringender Handlungsbedarf die Ursachen des Klimawandels zu bekämpfen und zu mindern. Da die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) wesentlich zur globalen Erderwärmung beitragen, müssen sich alle Anstrengungen auf deren Vermeidung und Verminderung konzentrieren. Außerdem könnte die zusätzliche Bindung von Kohlenstoff (C) in Böden und Baumbiomasse/Holz ein wirksames Instrument für den Klimaschutz sein. Deutschland ist bestrebt, durch verschiedene Minderungsmaßnahmen bis 2045 Klimaneutralität zu erreichen. Es gibt bereits belastbare Hinweise, dass Agroforstsysteme (AFS) die N2O- und/oder CO2-Emissionen reduzieren und so den Carbonfootprint verringern können. Dies ist vor allem auf die Erhöhung der unter- und oberirdische Biomasse durch Anpflanzung von Gehölzen und Gehölzen und der dazugehörigen Vegetation zurückzuführen ist. Darüber hinaus werden die THG-Emissionen stark von den mikroklimatischen Bedingungen und dem Wasser- und Nährstoffkreislauf beeinflusst. AFS zeichnen sich insbesondere durch ein hohes Maß an kleinräumiger Heterogenität aus. Bislang gibt es jedoch keine systematischen Erkenntnisse über das quantitative THG-Reduktions- und C-Sequestrierungspotenzial von AFS und über deren räumlich-zeitliche Variabilität. Dies ist teilweise auf methodische Beschränkungen zurückzuführen, wenn es um umfassende Analysen des gesamten Systems geht, einschließlich der Kulturpflanzen- und Baumreihen. Daher konzentriert sich dieses Projekt auf umfassende Messungen der räumlich-zeitlichen Muster der THG-Emissionen und der C-Dynamik in AFS, um die zugrundeliegenden Prozesse und Treiber besser zu verstehen und zu ermitteln, wie AFS wirksam zur Verringerung der THG-Emissionen beitragen und möglicherweise die C-Sequestrierung in der gemäßigten Klimazone verbessern können. Die angewandten Messtechniken beinhalten: i) mikrometeorologische Sensornetzwerke, (ii) halbautomatische geschlossene Kammersysteme zur Bestimmung der tageszeitlichen CO2-, CH4-, N2O- und ET-Flüsse (enge Verknüpfung von SP1 und 2), iii) Isotopenansätze und iv) Methoden zur Bestimmung des Netto-Ökosystem-Kohlenstoffbudgets und Bodenkohlenstoff-Stabilisierungsmechanismen. Die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Parametern, die sich auf THG-Emissionen, Kohlenstoffdynamik und die Integration von Bäumen beziehen, werden untersucht, um Modellparameter für Upscaling und Szenarioanalysen abzuleiten. Um diese Ziele zu erreichen, werden im Projekt folgende Arbeitspakete behandelt: WP1) Einfluss von AFS auf die räumlich-zeitliche Dynamik der THG-Flüsse, WP2) Einfluss von AFS auf das C-Sequestrierungspotenzial und WP3) Interaktion von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserkreisläufen in AFS. Die Arbeiten finden an zwei verschiedenen Standorten (in Hessen, Gladbacherhof und in Brandenburg, Großmutz) statt, um die wissenschaftlichen Erkenntnisse unter verschiedenen pedoklimatischen Bedingungen zu bewerten und zu validieren.
Das Vorhandensein von stabilem Boden-organischen Material (SOM) ist eine system-immanente Eigenschaft, aber auch eine Voraussetzung für das Funktionieren von Bodenökosystemen. Mikrobielle Aktivität ist dabei ein wesentlicher Treiber des Kohlenstoffumsatzes und der SOM-Bildung, aber das Ausmaß, in dem stabiles SOM gebildet wird, wird durch Randbedingungen wie Redoxzustand und Mineralzusammensetzung verändert. Derzeit sind weitere Fortschritte zum Verständnis der SOM-Stabilisierungsmechanismen durch die Möglichkeiten begrenzt, mit der die molekulare Zusammensetzung der mineralassoziierten Fraktion und die molekularen Strukturen von SOM bestimmt werden können. Neue analytische Konzepte und Methoden für chemisch hochauflösende Analysen sind daher dringend erforderlich, um die Einflussfaktoren der Kohlenstoffspeicherung in Böden besser zu verstehen. Strukturspezifische und oberflächensensitive FT-ICR MS-Methoden eröffnen eine völlig neue Perspektive, um die mikrobielle Nutzung von Substraten zur Energiegewinnung und Biomasseerzeugung zu untersuchen, molekulare Änderungen zu erfassen, Struktur-Energie-Beziehungen in komplexem SOM zu entschlüsseln, die Bildung und Stabilität von mineralassoziiertem organischem Material zu erforschen und schließlich die Stabilisierung von SOM ganzheitlich zu verstehen. Zu diesem Zweck werden wir 1) online-LC-FT-ICR-MS sowie LC-Tandem-MS-Methoden einsetzen, um physikalisch-chemische und aussagekräftige Strukturinformationen selbst für das komplexe SOM zu erhalten, 2) funktionelle Gruppen in einzelnen Molekülen mittels Isotopen-Tagging zu bestimmen, um die Prävalenz von Struktureinheiten zu untersuchen, und 3) direkte LDI-FT-ICR-MS für die Oberflächenanalyse der organischen Substanz nach der Sorption an Mineralien anwenden. Diese neuartigen Methoden werden wir auf mikrobielle Mikrokosmen mit verschiedenen Substraten und Redox-Bedingungen anwenden, um die Energie- und Materie-Zerstreuung auf molekularer Ebene aufzuschlüsseln. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist es, das Verständnis des komplexen Umsatzes von organischer Bodensubstanz von einer Summen- und Mittelwert- auf eine strukturelle Ebene zu heben. Diese neue Ebene des SOM-Verständnisses wird zusammen mit den Projektpartnern im SPP SoilSystems eine integrative und umfassende Bewertung und Modellierung der Energienutzungskanäle und Randbedingungen des OM-Umsatzes in Böden ermöglichen. Dieses Vorhaben wird zu den zentralen Hypothesen des SPP SoilSystems beitragen, indem die Energienutzungskanäle und die Verteilung der Gibbs-Energie von Substraten während mikrobiellem Umsatz, die Konsequenz von Molekülstruktur auf die Stabilisierung von SOM durch fortwährende mikrobielle Aktivität und der Einfluss von Redoxzustand und Mineralzusammensetzung auf die Stoffnutzung und Stabilisierung von Kohlenstoff aufgeklärt wird.
In dem vorliegenden Projekt soll untersucht werden, wie und in welchem Ausmaß landwirtschaftlich genutzte Bodenverbesserungsmittel in Form von superabsorbierenden Polymeren (SAPs) in plastikähnliche, feste Rückstände (SAP-SR) umgewandelt werden können und dabei grundlegende, physikochemische Bodeneigenschaften modulieren. Da die primären Anwendungsziele von SAPs in erster Linie der Optimierung des Wasserhaltevermögens, der hydraulischen Leitfähigkeit sowie der mechanischen Bodenstabilität dienen, wollen wir untersuchen und verstehen, wie die Alterung bzw. potenzielle Umwandlung von SAPs in SAP-SR diese Eigenschaften und Prozesse nachhaltig verändern. Somit ließe sich nachvollziehen und klären, ob der ursprüngliche Zweck von SAPs und ihre typischerweise angeführten Vorteile trotz ihrer Alterung oder Umwandlung weiterhin erhalten bleiben, dauerhaft reduziert oder sogar ins Negative umgekehrt werden. Zur Beantwortung dieser Fragen werden gezielte Experimente zum Abbau- und Umwandlungspotenzial verschiedener, gängiger synthetischer SAPs unter verschiedenen Inkubationsbedingungen und in unterschiedlichen Böden durchgeführt. Gleichzeitig werden die damit einhergehenden Änderungen grundlegender physikochemischer Bodeneigenschaften erfasst und mit relevanten Abbau- und Umwandlungsprozessen der SAPs verknüpft. Das notwendige Wissen und die geeigneten Techniken werden aus früheren und derzeit laufenden Projekten gewonnen, die sich mit dem Beitrag von synthetischen und Biopolymeren auf die Bodeneigenschaften und -funktionen beschäftigen. Im Rahmen des Projekts werden wir bereits etablierte Methoden wie ein- (1D-), zwei- (2D-) dimensionale und Feldgradienten- (PFG-) 1H NMR-Relaxometrie, Rheometrie, Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Pyrolyse-GC-MS (Pyr-GC-MS) und verschiedene bildgebende Verfahren (Elektronenmikroskopie (ESEM) und Röntgen-Mikrotomographie (µCT)) anwenden. Sobald geklärt wurde, wie und unter welchen Bedingungen SAP-SR-Strukturen gebildet und welche ihrer ursprünglichen physikochemischen Eigenschaften grundlegend geändert werden, sollen die damit einhergenden Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Rhizosphären-Dynamik in kontrollierten Gewächshausexperimenten qualitativ und quantitativ erfasst werden. Die Ergebnisse des Projekts werden somit Aussagen über das langfristige Verhalten, den Verbleib und die Wirksamkeit von SAPs auf der Grundlage veränderter Bodenprozesse und bodenphysikochemischer Eigenschaften ermöglichen.
Die 3D-Mikrostruktur von Wurzeln spielt eine Schlüsselrolle für biologische, chemische und physikalische Prozesse, die die Bildung und Funktion von Rhizosphäre und Wurzelstruktur beeinflussen. Computertomographie (CT) ist eine leistungsfähige Technik zur Untersuchung räumlich und zeitlich aufgelöster Wurzelwachstumsmuster in 3D. Simulierte Wurzelarchitekturen liefern jedoch zusätzliche Erkenntnisse, z.B. durch schnellere Datenerfassung und höhere zeitliche Auflösung. In beiden Fällen werden große Mengen an komplexen Bilddaten generiert, die statistisch analysiert und mit möglichst wenigen Parametern modelliert werden müssen.In Kooperation mit der Gruppe von D. Vetterlein (UFZ) haben wir ein Wurzeldistanzmodell entwickelt, das in der Lage ist, Wachstumsmuster in den ersten Wochen des Wachstums von Vicia faba zu beschreiben. Mit der Gruppe von A. Schnepf (FZJ) wurden Zusammenhänge zwischen den Eingangsparametern des 3D-Wurzelarchitekturmodells CRootBox und verschiedenen Kenngrößen der simulierten Wurzelsysteme, wie Wurzellängendichte und Volumen der konvexen Hülle, untersucht.Ziel dieses Projekts ist es, die erfolgreiche Zusammenarbeit mit den beiden genannten Partnergruppen fortzusetzen und auszubauen. Dabei analysieren wir statistisch (experimentell beobachtete und simulierte) Wurzelwachstumsmuster aus der Bodenperspektive. Neben der Analyse ganzer Wurzelsysteme mittels Wurzeldistanzmodellen entwickeln wir lokale Wurzeldistanzmodelle bezüglich bestimmter Klassen von Wurzelsegmenten, z.B. ältere Segmente (in der Nähe des Keims) oder Segmente, die sich an oder in der Nähe der Wurzelspitzen befinden. Dies liefert detaillierte Einblicke in die Dynamik von Wurzelwachstum und -funktion. Darüber hinaus werden quantitative Zusammenhänge zwischen den Eingangsparametern von CRootBox und weiteren Wurzelkenngrößen bestimmt. Multivariate Ansätze wie Copulas liefern die mathematischen Werkzeuge, um parametrische Metamodelle für Vektoren von (korrelierten) Wurzelkenngrößen zu konstruieren. Aus den dabei ermittelten Ergebnissen wird ein universell anwendbarer Ansatz für die zielgerichtete Kalibrierung von Wurzelarchitekturmodellen entwickelt. Insbesondere zeigen wir, wie Methoden des maschinellen Lernens mit den erzielten Ergebnissen kombiniert werden können, um CRootBox mit Hilfe von tomographischen Wurzelbilddaten oder abgeleiteten Kenngrößen zu kalibrieren. Weiterhin beschreiben wir geometrische Wurzelmuster statistisch zur Unterscheidung zwischen rein zufälligen, gleichmäßigen und clusterbildenden Morphologien. Dabei werden Methoden der stochastischen Geometrie bei der Analyse des Wachstums von Wurzelsystemen verwendet, um z.B. die Korrelation von Schnittpunkten der Wurzel mit planaren (z.B. vertikalen oder horizontalen) Bodenabschnitten mit chemischen 2D-Maps zu untersuchen. Desweiteren werden wir eine vergleichende statistische Analyse von Wurzelkenngrößen in beschränkten und unbeschränkten Wurzelarchitekturen durchführen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 213 |
| Kommune | 1 |
| Land | 1 |
| Wissenschaft | 153 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 213 |
| Repositorium | 4 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 217 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 211 |
| Englisch | 208 |
| andere | 1 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Webseite | 217 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 206 |
| Lebewesen und Lebensräume | 199 |
| Luft | 125 |
| Mensch und Umwelt | 217 |
| Wasser | 126 |
| Weitere | 217 |