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Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Dient sie zum Schutz gegen Fressfeinde und Pathogene?

Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?

Freilanduntersuchungen zur interaktiven Wirkung von Hitzeperioden und erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration auf Wachstum und Kornbildung von Weizen

Der Klimawandel beinhaltet den Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration, Zunahmen der mittleren Temperatur und der Sommertrockenheit sowie das vermehrte Auftreten von Hitzeperioden, d.h. Tagen mit Maximaltemperaturen über 30 C. Die Folgen dieser gleichzeitigen Veränderungen für die globale Agrarproduktion sind offen. Nach Modellabschätzungen soll insbesondere die Zunahme von Hitzeperioden zu Ertragseinbußen bei Getreidearten wie Weizen führen. Die für diese Folgenabschätzung zugrunde liegenden experimentellen Daten wurden unter Gewächshaus- oder Klimakammerbedingungen erhoben. Es sollen daher erstmals Feldversuche zur Interaktion von Hitzeperioden und erhöhter CO2-Konzentration auf Wachstum und Kornbildungsprozesse von Weizen durchgeführt werden. Dazu werden eine erhöhte CO2-Konzentration (550 ppm) mit einer Freiland-CO2-Anreicherungsanlage (Free Air Carbon Dioxide Enrichment = FACE-Technik) und Hitzeperioden (T größer als 30 oC) mit einer Felderwärmungsanlage (Free Air Temperature Enrichment = FATE-Technik) simuliert. Die Wärmebehandlung wird an zwei hitzesensitiven Entwicklungsphasen durchgeführt (P1: präflorale Phase, P2: Kornfüllungsphase). Die Hitzeexposition in P1 erfolgt in der Woche bis zur Blüte. Es soll der erwartete Abfall der Kornzahl ermittelt und auf eine Beziehung zur Temperatursumme oberhalb eines Schwellenwertes geprüft werden. In P2 soll das Temperaturmaximum an 6 Tagen erhöht und der Einfluss auf das Einzelkorngewicht erfasst werden. Für das erste Versuchsjahr ist nur die Untersuchung von Hitzeeffekten geplant. Um einen möglichst weiten Temperaturbereich abzudecken, wird dieser Versuch gleichzeitig an zwei Standorten (Braunschweig/Kiel) durchgeführt. Im zweiten und dritten Jahr soll in einem Kombinationsexperiment mit FACE und FATE geprüft werden, ob die Hitzeeffekte durch mehr CO2 in der Atmosphäre modifiziert werden. Die Ergebnisse werden für die Verbesserung von Weizenwachstumsmodellen zur Klimafolgenabschätzung bereitgestellt und können für die Züchtungsberatung verwendet werden.

Bäume als Indikatoren für die urbane Wärmeinsel (BIWi)

Das Projekt 'Bäume als Indikatoren für die urbane Wärmeinsel (BIWi)' ist eine Vorstudie, in der an 12 stadtökologisch unterschiedlichen Standorten Berlins, der Stadt Deutschlands mit dem größten innerstädtischen Wärmeinseleffekt (urban heat island, UHI), mittels dendroklimatologischer Methoden Chronologien zu verschiedenen Jahrringparametern (Jahrringbreite JRB, Weiserjahrkataloge, holzanatomische Merkmale) erzeugt und analysiert werden. Das Ziel ist es zu untersuchen, mit welcher Güte und Sicherheit welche Wuchsmerkmale auf Einflüsse des UHI-Effektes zurückzuführen sind. Ausgehend von in Dendroklimatologie und Zeitreihenanalytik anerkannten und häufig erfolgreich angewandten Methoden zur Messtechnik, Datenaufbereitung und Datenanalyse soll ein Methodenverbund aus Korrelations-, Regressions-, Hauptkomponenten- und Extremjahranalysen für urbane Räume entwickelt werden, um an verschiedenen Standorten die Wachstumsfaktoren für die im Mittel herrschenden Klimabedingungen, wie auch für extreme Wetterlagen (Trocken- oder Hitzeperioden, Smoglagen) zu bestimmen und zu hierarchisieren. Dazu werden an 12 stadtökologisch unterschiedlichen Standorten an insgesamt ca. 150 Bäumen Chronologien zur Jahrringbreite wie auch Kataloge zu extremen Wuchsreaktionen und holzanatomischen Merkmalen (Frostringe, Dichteschwankungen, u.a.) generiert. Im Vergleich mit Standorten aus dem Berliner Umland werden die Effekte der UHI abschließend von den allgemeinen klimatischen Wachstumsfaktoren getrennt. Insbesondere für diesen Teilschritt ist neben der Analyse spezifischer Stadtbaumarten (Platane, Ahorn, Winterlinde oder ähnlichen) auch die von sogenannten waldbildenden Baumarten wie etwa Eiche, Buche oder Kiefer in der Stadt von Bedeutung, um die gefundenen Stadt-Umland-Diversitäten nicht durch artspezifische Unterschiede zu verwischen. Die in der Vorstudie gewonnenen Ergebnisse werden im Rahmen zweier Masterarbeiten ausgewertet und interpretiert und überdies in einem international anerkannten Fachjournal veröffentlicht. Bisher vorliegende Studien setzen die Dendroklimatologie erfolgreich ein, um das Wachstum urbaner Bäume zu analysieren. Die Innovation des Projektes BIWi beruht auf der erstmaligen Nutzung der Bäume und der dendroklimatologischen Techniken für die Analyse stadtklimatologischer Fragestellungen, insbesondere der räumlichen und zeitlichen Entwicklung der UHI. Im Erfolgsfalle dient diese Vorstudie dazu, in einem größer angelegten Folgeprojekt das übergeordnete Ziel zu verfolgen, ein Verfahren zur Untersuchung der räumlichen Verbreitung und raumzeitlichen Entwicklung von UHIs mit Hilfe dendroökologischer Datensätze zu entwickeln. Perspektivisch kann so dazu beizutragen werden retrospektiv und projektiv Aussagen zur Entwicklung von UHIs vor dem Hintergrund sich ändernder klimatischer, demographischer und städteplanerischer Entwicklungen zu treffen.

The iron-snow regime in Fe-FeS cores: a numerical and experimental approach

In the Earth, the dynamo action is strongly linked to core freezing. There is a solid inner core, the growth of which provides a buoyancy flux that drives the dynamo. The buoyancy in this case derives from a difference in composition between the solid inner core and the fluid outer core. In planetary bodies smaller than the Earth, however, this core differentiation process may differ - Fe may precipitate at the core-mantle boundary (CMB) rather than in the center and may fall as iron snow and initially remelt with greater depth. A chemical stable sedimentation zone develops that comprises with time the entire core - at that time a solid inner core starts to grow. The dynamics of this system is not well understood and also whether it can generate a magnetic field or not. The Jovian moon Ganymede, which shows a present-day magnetic dipole field, is a candidate for which such a scenario has been suggested. We plan to study this Fe-snow regime with both a numerical and experimental approach. In the numerical study, we use a 2D/3D thermo-chemical convection model that considers crystallization and sinking of iron crystals together with the dynamics of the liquid core phase (for the 3D case the influence of the rotation of the Fe snow process is further studied).The numerical calculations will be complemented by two series of experiments: (1) investigations in metal alloys by means of X-ray radioscopy, and (2) measurements in transparent analogues by optical techniques. The experiments will examine typical features of the iron snow regime. On the one hand they will serve as a tool to validate the numerical approach and on the other hand they will yield important insight into sub-processes of the iron snow regime, which cannot be accessed within the numerical approach due to their complexity.

Establishment of Teak plantations for high-value timber production in Ghana

Background and Objectives: The project area is located in the Ashanti Region of Ghana / West Africa in the transition zone of the moist semideciduous forest and tropical savannah zone. Main land use in this region is subsistence agriculture with large fallow areas. As an alternative land-use, forest plantations are under development by the Ghanaian wood processing company DuPaul Wood Treatment Ltd. Labourers from the surrounding villages are employed as permanent or casual plantation workers. Within three forest plantation projects of approximately 6,000 ha, DuPaul offers an area of 164 ha (referred to as Papasi Plantation) - which is mainly planted with Teak (Tectona grandis) - for research purposes. In return, the company expects consultations to improve the management for sustainable timber and pole production with exotic and native tree species. Results: In a first research approach, the Papasi Plantation was assessed in terms of vegetation classification, timber resources (in qualitative and quantitative terms) and soil and site conditions. A permanent sampling plot system was established to enable long-term monitoring of stand dynamics including observation of stand response to silvicultural treatments. Site conditions are ideally suited for Teak and some stands show exceptionally good growth performances. However, poor weed management and a lack of fire control and silvicultural management led to high mortality and poor growth performance of some stands, resulting in relative low overall growth averages. In a second step, a social baseline study was carried out in the surrounding villages and identified landowner conflicts between some villagers and DuPaul, which could be one reason for the fire damages. However, the study also revealed a general interest for collaboration in agroforestry on DuPaul land on both sides. Thirdly, a silvicultural management concept was elaborated and an improved integration of the rural population into DuPaul's forest plantation projects is already initiated. If landowner conflicts can be solved, the development of forest plantations can contribute significantly to the economic income of rural households while environmental benefits provide long-term opportunities for sustainable development of the region. Funding: GTZ supported PPP-Measure, Foundation

Biogeochemical modelling of biosphere-atmosphere-hydrosphere interactions

This project aims at the improvement and testing of a modeling tool which will allow the simulation of impacts of on-going and projected changes in land use/ management on the dynamic exchange of C and N components between diversifying rice cropping systems and the atmosphere and hydrosphere. Model development is based on the modeling framework MOBILE-DNDC. Improvements of the soil biogeochemical submodule will be based on ICON data as well as on results from published studies. To improve simulation of rice growth the model ORYZA will be integrated and tested with own measurements of crop biomass development and transpiration. Model development will be continuously accompanied by uncertainty assessment of parameters. Due to the importance of soil hydrology and lateral transport of water and nutrients for exchange processes we will couple MOBILE-DNDC with the regional hydrological model CMF (SP7). The new framework will be used at field scale to demonstrate proof of concept and to study the importance of lateral transport for expectable small-scale spatial variability of crop production, soil C/N stocks and GHG fluxes. Further application of the coupled model, including scenarios of land use/ land management and climate at a wider regional scale, are scheduled for Phase II of ICON.

GIS-gestütze Ermittlung der Veränderung des Lebensraumes gefährdeter Wildtierarten

Die Wildtierarten Birkhuhn, Schneehuhn sowie Gams- und Steinwild haben sich im Laufe ihrer Evolution perfekt an das Leben in alpinen Lagen, hauptsächlich über der Waldgrenze, angepasst und sind somit Teil dieses sehr empfindlichen Ökosystems. Unter Annahme des Ansteigens der Waldgrenze aufgrund Klimaerwärmung verringert sich der Lebensraum dieser Wildtierarten massiv. Als Grundlage für die Ermittlung der Veränderungen wurde die Temperaturentwicklung der vergangenen 50 Jahre genauer betrachtet sowie das Klimamodell MM5 für eine Abschätzung der zukünftigen Erwärmung herangezogen. Die Temperaturentwicklung in den vergangenen 50 Jahren zeigt für die ersten zwei Dekaden sogar eine Abkühlung, seit 1970 aber einen starken Anstieg. Das Klimamodell prognostiziert für die nächsten 50 Jahre eine Erwärmung von ca. 2,2 C für das Untersuchungsgebiet in den Niederen Tauern. Das Baumwachstum ist sehr stark von der Temperatur abhängig und eine hohe Korrelation zwischen der Wachstumsgrenze von Bäumen und der 10 C Juli-Isotherme wurde nachgewiesen. Das Klimamodell MM5 zeigt für die nächsten 50 Jahre einen prognostizierten Anstieg der Isothermen um ca. 450 Höhenmeter. Prognostizierte Temperaturveränderungen hängen jedoch sehr stark vom verwendeten Klimamodell ab. Über die Geschwindigkeit, mit der sich die Waldgrenze zur temperaturbedingten Wachstumsgrenze hin bewegt, kann keine Aussage getroffen werden und wäre Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten. Weiters übt die Bewirtschaftung durch den Menschen einen sehr großen Einfluss auf den Verlauf der Waldgrenze aus. Daher ist noch nicht absehbar, wie diese sich verändern wird. Die aktuellen Lebensräume wurden nach einem wissensbasierten Habitatmodell mit Hilfe eines Geografischen Informationssystems (GIS) erstellt. Unter der Annahme, dass die zukünftige Waldgrenze die Höhe der berechneten Isotherme für die Dekade 2040-2050 erreicht, führt diese Verschiebung zu einem dramatischen Verlust an Lebensraum.

Entwicklung eines humanen Cornea-Modells für die okulotoxische Sicherheitsprüfung - Charakterisierung der SV40-immortalisierten Endothel- und Keratocytenzelllinie (Dissertation)

Bis heute existiert keine validierte Alternativmethode, die im Rahmen der Risikobewertung von Chemikalien und Arzneistoffen sowie der toxikologischen Sicherheitsprüfung von Kosmetika den Augenirritations-Test nach Draize am lebenden Kaninchen vollständig ersetzen kann. Für Substanzen mit starkem Augenirritations-Potential kann die Toxizität anhand verschiedener, validierter in vitro Assays im Rahmen einer abgestuften, von der OECD empfohlenen Teststrategie mit hoher Genauigkeit erfasst werden (BCOP-Assay, ICE-Methode). Substanzen mit sehr mildem Augenirritations-Potential können zukünftig möglicherweise durch kommerziell erhältliche, dreidimensionale Cornea-Epithelmodelle identifiziert werden, die sich momentan in der Validierung befinden (EpiOcularTM Modell, SkinEthik HCETM Modell). Dagegen muss insbesondere die Lücke im Bereich der milden bis moderaten Augenirritation durch neue Alternativmethoden geschlossen werden. Die Überprädiktivität/ hohe Sensitivität der dreidimensionalen Epithelmodelle sowie die Forderung nach einem mechanistischen Ansatz, der die Tiefe der cornealen Verletzung durch toxische Substanzen berücksichtigt und damit ermöglicht, die gesamte Bandbreite an Schweregraden okulotoxischer Reaktionen abzudecken (Jester et al., 2001), erfordert die Einbeziehung weiterer cornealer Schichten, Stroma und Endothel, in ein organotypisches in vitro Modell der Cornea. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, ein solches, von Zorn-Kruppa et al. etabliertes Komplettmodell der Cornea aus drei humanen, SV40-immortalisierten Zelllinien hinsichtlich des Kulturmediums zu optimieren und diese Endothel (EC)-, Keratocyten (HCK)- und Epithel (HCE)-Zelllinie an ein gemeinsames, möglichst serumfreies Wachstumsmedium zu adaptieren. EC und HCK wurden zudem in Abhängigkeit von Art und Serumgehalt des Kulturmediums hinsichtlich der Frage, ob die organotypischen Merkmale der primären Zellen trotz der SV40-Immortalisierung erhalten geblieben sind, charakterisiert. Die EC-Zelllinie wurde auf ihre Fähigkeit zur interzellulären Kontaktinhibition untersucht, welche nach dem Erlangen der zellulären Konfluenz die Vorraussetzung zur Ausbildung und Aufrechterhaltung eines organotypischen Endothel-Monolayers darstellt (Joyce et al., 2002). Die Keratocytenzelllinie HCK wurde in Monolayer-Kultur und nach Einbettung in die collagenöse Matrix des Stroma-Äquivalents phänotypisch und funktionell sowie in Abhängigkeit von Serum und Wachstumsfaktoren charakterisiert. Insbesondere wurde die Transformation der HCK in fibrotische Phänotypen nach Stimulation mit TGF beta untersucht, welche in vivo an cornealen Wundheilungsreaktionen beteiligt sind (Fini und Stramer, 2005, Jester et al., 1999).

Ökologische Grundlagen des Waldwachstums, Wachstumsmonitoring von Fichte, Kiefer, Aspe und Birke in der mittleren Taiga, Komi, NW-Russland

In einem naturnahen Mischbestand werden an der forstlichen Versuchsstation Lyaly (Republik Komi) die Radialveränderungen der Baumschäfte von Fichten (Picea obovata), Kiefern (Pinus sylvestris), Aspen (Populus tremulus) und Birken (Betula spec.) zeitlich hochaufgelöst registriert. An einem Teilkollektiv der Untersuchungsbäume wird zusätzlich im 5-Minuten Takt die elektrische Leitfähigkeit des Stammes registriert. Gleichzeitig werden die Lufttemperatur, die Luftfeuchte sowie die Bodenfeuchte gemessen. Am Untersuchungsstandort werden mit einem Magnetometer Schwankungen des Erdmagnetfeldes in den drei Raumrichtungen registriert. Aus den Analysen werden Informationen über die Bedeutung verschiedener Standorts- und Umweltfaktoren auf das kurz-, mittel- und langfristige Wuchsverhalten von Bäumen erwartet.

Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen in Agrarsystemen: Einfluss von Cadmium und Stickstoff auf mikrobielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre sowie auf das Wachstum einheimischer Pflanzenspezies in Landwirtschaftssystemen

Pflanzenmanagement- und Agrarsysteme erlangen international eine steigende Bedeutung. In der vorliegenden Studie werden Pappeln und Weiden mit einheimischen Pflanzenspezies kombiniert, um Agrarsysteme weiter zu verbessern. Zwei in landwirtschaftlichen Systemen relevante Schadstoffe (Cadmium und Stickstoff) wurden ausgewählt, um die Pflanzen bezüglich Phytoremediation und Effizienz von Schadstoffanreicherung in Pflanzenteilen zu untersuchen. Pflanzen-Mikroben-Interaktionen spielen eine Hauptrolle in Agrarsystemen, weshalb mikrobielle Veränderungen in der Rhizosphäre durch Schadstoffeintrag in Böden einen wichtigen Schwerpunkt darstellen. Um solche Veränderungen in einer pflanzenspezifischen, mikrobiellen Gemeinschaft zu detektieren werden Phospholipidfettsäuren (PLFA) im Boden bestimmt, da diese in allen lebenden Zellen vorkommen und nach Zelltod rasch abgebaut werden. Die erzielten Ergebnisse werden mit DNA-basierten Methoden zur Bestimmung mikrobieller Gemeinschaften verglichen. Weiterhin soll die Analytik von Terpenen, Flavonoiden und Fettsäuren im Pflanzenmaterial Auskunft über pysiologische Veränderungen von Pflanzen geben, welche durch die verschiedenen Schadstoffe ausgelöst werden. Ein 13CO2 Puls, welcher vor der Ernte appliziert wird, ermöglicht eine genaue Untersuchung, wie Pflanzenstoffwechsel und Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre durch Schadstoffe verändert werden. In diesem Zusammenhang wird die Stabilisotopenanalytik von PLFA und DNA verglichen, sowie weitere 13C-Analysen des Pflanzenmaterials durchgeführt. Um den Schwerpunkt von Pflanzenmanagement Systemen zu vertiefen werden weitere Analysen von Pflanzenteilen (Wurzeln, Stamm, Blätter, Früchte, Samen) bezüglich Cadmium und Stickstoff durchgeführt. Massiv kontaminiertes Pflanzenmaterial kann für die Biogasproduktion verbrannt und anschließend zum Recycling kompostiert werden. Pflanzenteile mit hohem Stickstoffgehalt und fehlender Akkumulation von Cadmium kann als Tierfutter in Wintermonaten verwendet werden; eine Verwendung für kommerzielle Produkte ist ebenfalls denkbar und soll im Rahmen des Forschungsantrags untersucht werden.

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