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Jahresbericht 2015                              Jahresbericht 2013/2014  

    

Anschubprojekte Förderperiode 2 (2019-2023)

EpiPTG - Dietary effects on DNA methylation in porcine parathyroid glands

M. Oster, (FBN) K. Wimmers (FBN), P. Wolf (UR), B. Vollmar (UMR)

It has been proposed that an adaptive response termed ‘Metabolic Programming’ offers the possibility
to induce different and stable phenotypes. To improve phosphorus (P) efficiency in pig husbandry, a
feeding experiment was conducted in 2018. Sows were supplied with variable amounts of dietary P
during pregnancy and lactation, which had an indirect impact on the offspring. Thus the
transgenerational design of this feeding study included nutritional challenges for the progeny of pigs
during foetal and postnatal development. Results of RNAseq data retrieved from the parathyroid
glands of the challenged offspring revealed transcriptional variations of a number of key genes
involved in mineral homeostasis, such as parathyroid hormone (PTH) and fibroblast growth factor
receptor 1 (FGF1R).
In this context, the relevance of possible epigenetic modifications must be clarified. To consider any
long-term effects with regard to a P homeostasis in finisher pigs, RNA-Seq data will be
complemented by the analysis of targeted DNA-methylation marks obtained via bisulfite sequencing.
In addition, directly affected parameters such as the serum level of PTH (released from the
parathyroid glands) and its effects on bone mineralization will be assessed. The comprehensive
molecular and phenotypic characterization forms the basis for the possible implementation of dietary
P conditioning in monogastric animals.


P-CAT - Entwicklung enantioselektiver katalytischer Wittig Reaktionen basierend auf chiralen Phosphorverbindugen als Katalysatoren

T. Werner (LIKAT), A. Börner (UR)

Projekt läuft noch


P-ChemBind - Phosphor-Protein-Interaktionen in der Quervernetzung

J. von Langermann (UR), T. Werner (LIKAT), U. Kragl (UR)

Zusammenfassung
Das Ziel des Seed-Projektes „P-ChemBind“ war die Entwicklung einer effizienten „short-cut-method“ für die Anbindung von P-basierten Seitenketten an Proteine. In der Summe wurde festgestellt, dass die hier benötigten anspruchsvolleren Reaktionsbedingungen nahezu komplett in direkter Weise eine Denaturierung bzw. unerwünschte Veränderung des Proteins ergeben. Die Zielverbindung konnte nur in geringen Ausbeuten erzeugt werden.
Als Schlussfolgerung ergibt sich aus diesem Kurzprojekt, dass die angedachte Methode experimentell nicht erfolgsversprechend ist. Die nun doch notwendige langwierige Alternativroute wird im Projekt III.2 "Application of P-based organocatalysts and biocatalysts for the resolution of racemic carbonates" bearbeitet.


PIAG - Plasmainduzierte Abbaureaktionen in Glyphosat-haltigen Substraten

V. Brüser (INP), P. Leinweber (UR)

Zusammenfassung
In dieser Studie wurde gezeigt, dass Oberflächen-Koronaentladungen in der Lage sind, Glyphosat (GLP) in Wasser wirksam abzubauen, ohne dass zusätzliche chemische oder biologische Zusätze erforderlich sind. Es wurde auch gezeigt, dass die GLP-Entfernung im Wasser innerhalb kurzer Zeit erreicht werden kann und somit in Kläranlagen umgesetzt werden könnte. Die etablierten analytischen Methoden zum Nachweis der Degradation erwiesen sich als geeignet und leicht durchführbar. Zur Bewertung des postulierten Abbaupfades muss eine vertiefte Analyse der Zwischen- und Endprodukte nach dem GLP-Abbau durchgeführt werden, was ebenfalls zur Verbesserung des Systems beitragen wird. Koronaentladungen sind eine vielversprechende Technik, um den Problemen der GLP-Entfernung im Wasser zu begegnen.


PQ4N - Phosphorus as a cue regulating microbial N2O production

N. Wrage-Mönnig (UR), M. Voss (IOW)

Zusammenfassung
Phosphorus (P) has been shown to interact with nitrogen (N) transformations in soils, altering microbial sources of nitrous oxide (N2O) emissions. However, this P-regulated N response remains largely unclear. Interactions with water content as well as P-fertilisation history have rarely been investigated. Within this project, we carried out an incubation and a mesocosm experiment to increase understanding of the interactions.
Using a 15N-labelled NO3 tracer in a soil incubation experiment, we studied the influence of P addition on N conversions and N2O emission under soil water-holding capacities (WHC) of 45 and 60 %. We conclude from the results that P availability could increase N conversion via mineralization, decrease nitrification and increase denitrification, coupled with an increase in N2O production from denitrification, which was the main N2O source here despite moderate water contents.
In the mesocosm experiment, we studied effects of P-fertilisation history on reactions of N2O production processes to P addition. Therefore, soils from two treatments of a long-term P fertilisation experiment were incubated with or without P addition. Fluxes of NO, N2O and CO2 were measured continuously and event-based samples taken for isotopomeric measurement of N2O and molecular analysis of the microbial community. Largest cumulative N2O production was found on the low-P soil with P fertilisation. Preliminary isotopic signatures did not suggest differences in N2O sources among treatments, but over time of incubation. Molecular results are pending due to constraints caused by pandemic measures.
Overall, the seed project has shown that P has an effect on N conversions and N2O production. This effect depends on P fertilisation history and probably on the microbial community.


ProCycle - Die Rolle von Protisten im Phosphorkreislauf biologischer Bodenkrusten

M. Albrecht, (UR), K. Glaser, (UR), M. Labrenz (IOW), P. Leinweber (UR)

Zusammenfassung
Die Rolle der Protisten in biologischen Bodenkrusten allgemein und im Stoffkreislauf von P ist bisher sehr wenig beachtet und untersucht worden. In anderen Habitaten und Gemeinschaften, etwa im Plankton und in der Rhizosphäre, ist die herausragende Rolle der Protisten und damit des microbial loop bekannt. Deshalb hat sich dieses Anschubprojekt zum Ziel gesetzt, ein vereinfachtes Modellsystem hinsichtlich des P-Kreislaufes zu untersuchen mit 3 der wichtigsten Komponenten einer Biokruste: Protisten, Bakterien und Algen.
Es wurden verschiedene Organismen auf ihre Eignung (Größe, Wachstum, Zählbarkeit, etc.) getestet und gute Kandidaten identifiziert, die in verschiedenen Kombinationen in P-verarmtem Medium angezogen wurden. Zu Beginn und Ende des Experiments wurden Proben für die P-Analytik gezogen und zweitägig auch Proben für Zellbestimmungen aller drei Organismen.
Die Ergebnisse für P zeigten, dass in Anwesenheit des Protisten mehr molbydatreaktives Phosphat vorhanden war als ohne Protisten. Die Zellzahlen belegen, dass der Protist die angebotenen Bakterien aufgenommen und verdaut hat. Jedoch ist durch die nur zwei Zeitpunkte der P-Probennahme nicht ersichtlich, ob das Mehr an P aus einer aktiven Freisetzung oder aus dem Absterben der Protisten resultiert.
Die Vor- und Hauptexperimente der Anschubprojektphase haben gezeigt, dass der Aufbau prinzipiell funktioniert. Verschiedene Optimierungsmöglichkeiten konnten identifiziert werden. Die Organismenauswahl wurde bereits im Rahmen des Anschubprojektes optimiert, bedarf aber weiterer Tests mit widerstandfähigeren Protisten. 

Anschubprojekte Förderperiode 1 (2015-2019)

AMPA - Synthese von isotopenmarkiertem AMPA für die qualitative und quantitative Analyse des Glyphosatabbaus im Boden

M. Kanwischer (IOW), P. Leinweber (UR), A. Schulz (UR), T. Werner (LIKAT)

Aufgrund unveröffentlichter Ergebnisse kann noch keine Zusammenfassung bereitgestellt werden.


Crysphos - Abtrennung von organischen Phosphaten durch Kristallisation

J. von Langerman (UR), T. Werner (LIKAT)

Aufgrund unveröffentlichter Ergebnisse kann noch keine Zusammenfassung bereitgestellt werden.


Desalting - Desalting of marine water through electrodialysis

M. Kanwischer (IOW), U. Kragl (UR), D. Schulz-Bull (IOW)

Wirth, M.A., Sievers, M., Habedank, F., Kragl, U., Schulz-Bull, D.E., Kanwischer, M. (2019) Electrodialysis as a sample processing tool for bulk organic matter and target pollutant analysis of seawater. Marine Chemistry 217, DOI: 10.1016/j.marchem.2019.103719

Abstract
Electrodialysis (ED) is an advancing seawater sample processing tool that enables the separation of analytes from the often interfering salt matrix. In this study, we present the evaluation of a laboratory scale ED system for both dissolved organic matter (DOM) and target pollutant analysis of seawater.
The developed sample processing protocol yields reproducible data and was found to be robust towards moderate changes in sample composition. At the final salinity of 0.1, the average recovery of DOM in the form of dissolved organic carbon, nitrogen and phosphorus (DOC, DON and DOP) was 44, 53 and 89 %, respectively. DOM loss occurred mainly in the late stage of the ED process.
When investigating specific ED processing parameters, it was discovered that the initial sample salinity does not influence DOM recovery. The final salinity, by contrast, is a dominant influence factor on DOM recovery. Furthermore, DOC and DOP recoveries could be improved by 8% by refining the electrical current in the ED cell. Surprisingly, adjustments of the sample pH did not lead to any improvements in DOM recovery.
The experiments with target analytes showed that the recovery of individual molecules is determined by their n-octanol water partition coefficients logKow. High recoveries > 80 % were achieved for compounds with medium logKow of −1 to 3. Hydrophobic compounds with logKow > 3 were lost through surface adsorption to the system walls and tubing. Small, polar and charged compounds with logKow < −1 are prone to loss via ED membrane passage, which occurred predominantly in the late stage of the ED process. Consequently, sample processing with ED was deemed beneficial for the LC-MS or GC–MS analysis of polar target compounds, because they are often difficult to enrich from seawater. Furthermore, during LC-MS or GC–MS analyses, matrix-dependent ion suppression was reduced in ED isolates, giving rise to increased signal responses of 25 to 620 %, which resulted in improved instrumental sensitivity.


DFG-Antrag - DFG-Antragsvorbereitung "Beeinflussung der Biodiversität & biologischen Aktivität in terrestrischen und aquatischen Systemen durch Glyphosat und AMPA"; aufbauend auf Antrag AMPA

M. Kanwischer (IOW), P. Leinweber (UR)

Zusammenfassung
Im Projekt soll der Kenntnisstand über Wechselwirkungen von Glyphosat (GLP) mit Bodenorganismen und Organismengemeinschaften in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen dargelegt werden. Aus 629 wissenschaftlichen Arbeiten, die sich mit den o.g. Wechselwirkungen beschäftigen (Recherche „Glyphosate + Organisms“, Scopus, 30.06.2019) wurden 127 in der zweimonatigen Bearbeitungszeit ausgewählt und ausgewertet. Für die Auswahl der Publikationen zur Themeneingrenzung wurde nur auf Bakterien, Pilze und Algen des Bodens und aquatischer Ökosysteme eingegangen, sowie deren Wirkung auf den GLP-Abbau, Nährstoffkreisläufe, sowie Einflüsse auf die Pflanzenernährung und -gesundheit. Höhere Lebewesen wurden nicht berücksichtigt. Nach Auswertung der Publikationen wurden anhand gegensätzlicher Befunde oder offener Probleme solche Kenntnislücken identifiziert, die im interdisziplinären Verbund des P-Campus untersuchbar sind und wichtige neue Erkenntnisse über das Verhalten von GLP in der Umwelt geben können.


EvaPhon II & III - Evaluation von Phosphoraufschlüssen natürlicher Materialien

R. Schumann (UR)

Zusammenfassung
s. Projekt P-Digest


Extremophile - Novel mechanisms of P-dependent energy transductions in an animal extremophile

I. Sokolova (UR), E. Sokolov (IOW), M. Zettler (IOW)

Zusammenfassung
Hypoxia is a common stressor in the ocean oxygen minimum zones (OMZ) and is currently enhanced by the global climate change and anthropogenic input of nutrients into the ocean. Most marine metazoans cannot tolerate persistent hypoxia as reflected in mass mortalities and major decreases in biodiversity when the ambient oxygen concentration drops below 2 mg/L. However, a recent study of the OMZ off the Namibian coast led to a discovery of a unique bivalve species, Lembulus bicuspidatus, that thrives at extremely low oxygen concentrations (< 0.7 mg/L) where it forms abundant populations with high biomass. This ecological success of L. bicuspidatus at the OMZ margins implies existence of unique physiological and molecular mechanisms that regulate ATP production and P-dependent energy fluxes under extremely hypoxic conditions. We have sequenced the genome of L. bicuspidatus collected at the OMZ margin and obtained sequence information covering ~82 % of the Lembulus genome. Over 35,000 genes were identified and annotated, and based on these data, specific primers were designed to investigate the transcriptomic response of L. bicuspidatus to different oxygen conditions. The ongoing bioinformatics analysis is expected to generate the complete assembly of the mitochondrial genome and a partial (~82%) assembly of the nuclear genome of L. bicuspidatus, followed with annotation, phylogenetic and functional analysis. These data will be used as a basis of at least three peer-reviewed publications and a DFG proposal submitted in 2020-2021.


H-POP - Immobilization of P‐based organocatalysts by plasma techniques

V. Brüser (INP), T. Werner (LIKAT)


MitoP - The role of reversible phosphorylation in regulation of mitochondrial bioenergetics

I. Sokolova (UR), K. Wimmers (FBN)

Zusammenfassung
Mitochondria are key intracellular targets of hypoxia-reoxygenation (H/R) stress due to their central role in ATP production and reactive oxygen species (ROS) generation. Intertidal bivalves such as oysters Crassostrea gigas are adapted to frequent H/R cycles and maintain aerobic function despite frequent oxygen fluctuations. To gain insight into the molecular mechanisms of H/R tolerance, we assessed the shifts in mitochondrial (phospho)proteome and functional changes in C. gigas mitochondria during hypoxia and recovery. Oyster mitochondria maintained OXPHOS capacity despite a decline in cytochrome c oxidase activity during H/R stress. Rearrangements of the mitochondrial proteome involved upregulation of mitochondrial electron transport system and ironbinding proteins and suppression of the metabolic pathways that channel electrons to ubiquinone, possibly as a mechanism to limit ROS production during H/R stress. H/R stress led to upregulation of a mitophagic activator PGAM5 and dephosphorylation of metalloendopeptidase OMA1, indicating stimulation of mitochondrial quality control mechanisms. Changes in abundance and phosphorylation levels of key proteins involved in the mitochondrial protein homeostasis indicate suppression of the protein synthesis during hypoxia, likely as an energy-saving mechanism. Thus, shifts in the mitochondrial (phospho- )proteome might play an important role in resistance to H/R stress of oysters ensuring mitochondrial integrity and function during oxygen fluctuations. This study provides insights into the potential role of proteomic shifts in adaptive response to H/R stress and serves as an important benchmark to understand the mechanisms underlying mitochondrial sensitivity to hypoxia (ischemia) and reoxygenation.

Publikationen
Sokolov, E.P., Sokolova, I.M. (2018) Compatible osmolytes modulate mitochondrial function in a marine osmoconformer Crassostrea gigas (Thunberg, 1793). Mitochondrion 45, 29-37, DOI: 10.1016/j.mito.2018.02.002

Sokolov, E.P., Markert, S., Hinzke, T., Hirschfeld, C., Becher, D., Ponsuksili, S., Sokolova, I.M. (2018) Effects of hypoxia-reoxygenation stress on mitochondrial proteome and bioenergetics of the hypoxia-tolerant marine bivalve Crassostrea gigas. J Proteomics 194, 99-111, DOI: 10.1016/j.jprot.2018.12.009


P-Aktiv - Evaluierung neuer P-basierter Organokatalysatoren

A. Schulz (UR), T. Werner (LIKAT)


PAS - Plasmabasierte Methoden zum Aufschluss von biologischen Substraten für die P-Analytik

V. Brüser (INP), P. Leinweber (UR), T. Leipe (IOW), R. Schumann (UR)

Zusammenfassung
s. Projekt P-Digest


P-Digest - Zusammenstellung von Langzeitdaten und Ringversuchsdaten zum P-Aufschluss aus unterschiedlichen Naturmaterialien innerhalb des P-Campus für das Internet P-Handbook

V. Brüser (INP), P. Leinweber (UR), R. Schumann (UR), D. Zimmer (IOW)

Zusammenfassung (aus den Projekten EvaPhon II & III, PAS und P-Digest)
Im Rahmen der Zusammenarbeit der Partner des P-Campus wurde festgestellt, dass für die Analytik vom Gesamt-P in den einzelnen Arbeitsgruppen unterschiedliche Aufschluss- und Analysenmethoden genutzt werden, deren Ergebnisse nicht immer 1 zu 1 vergleichbar sind. Um die Einarbeitung von insbesondere Nachwuchswissenschaftlern in den unterschiedlichen Arbeitsgruppen zu erleichtern und die durch die unterschiedlichen Ansprüche der Aufschluss- und Analysenverfahren möglicherweise entstehenden Fehler zu minimieren, wurden die bestehenden Methoden in einzelnen Arbeitsgruppen zusammengetragen und mit Ihren Vor- und Nachteilen bzw. Ansprüchen bewertet. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Rahmen der Anschubprojekte EvaPhoN als „Handbuch zur Auswahl der Aufschluss- und Bestimmungsverfahren für Gesamtphosphor in Umweltproben“ (e-Handbuch P-Analytik) zusammengetragen. Die entstandenen und noch entstehenden Kapitel werden online auf der P-Campus-Website veröffentlicht und stehen sowohl Mitgliedern des P-Campus als auch allen anderen Personen, nach Anmeldung, frei zur Verfügung. Das Handbuch wird ständig erweitert. Im Jahr 2020 wurde begonnen, die bisher nur in Deutsch vorliegenden Kapitel ins Englische zu übersetzen und online zu stellen.
Im Rahmen der Arbeit zum e-Handbuch P-Analytik entstand die Idee, neuartige Aufschlussmethoden zu testen und zu bewerten. Im Rahmen des Anschubprojektes PAS wurden daher unterschiedliche Umweltproben (im getrockneten und veraschten Zustand, z. B. Wasserproben, Pflanzen, Boden, Sediment) sowohl mit etablierten Aufschlussverfahren als auch mit dem zu testenden Plasmaaufschlussverfahren untersucht. Ziel des Projektes PAS war es, zu untersuchen, ob physikalisches Plasma als alternative Aufschlussmethode getrockneter organischer Proben zur Bestimmung des Phosphatgehaltes geeignet ist. Als vielversprechende Plasmaquelle wurde eine Funkenentladung in Wasser zur Überprüfung herangezogen. Für die Versuche wurden die Proben in destilliertem Wasser suspendiert und kontinuierlich dem Funken ausgesetzt. Anhand der Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass die Funkenentladung in dem bestehenden System nur bedingt geeignet ist, um die verwendete Probenarten aufzuschließen. Es ist daher empfehlenswert die Proben durch eine andere Plasmaquelle erneut zu überprüfen oder das verwendete System neu zu konzipieren. Im Anschluss an das Projekt PAS wurde ersichtlich, dass die in den gesamten Anschubprojekten (EvaPhonN und PAS), auch durch etlichen Bachelor-, Masterarbeiten, Dissertationen, dem BMBF-Verbundprojekt BACOSA sowie durch die Erprobung immer weiterer Materialien durch weitere Doktoranden auch von außerhalb des P-Campus, entstandene Datenflut entsprechend zusammenfassend ausgewertet und zusammengestellt werden muss. Dies geschah im Rahmen des Anschubprojektes P-Digest. Es bestätigte sich u. a., dass Aufschlussmethode und Bestimmungsmethode gut aufeinander abgestimmt sein müssen, da beispielsweise in einem Königswasseraufschluss P aufgrund der hohen HNO3-Konzentrationen nicht mittels Molybdänblau bestimmt werden kann.


PIPAPo - Unraveling molecular signaling pathway involved in phosphorus acquisition of potato

K. Dehmer (IPK), R. Uptmoor (UR)

Zusammenfassung
Die Phosphoraneignung der Kartoffel ist gering, es existieren jedoch genotypische Unterschiede. Die mikro-RNAs miR399 und miR827 spielen eine wichtige Rolle im PSignaling. Im Anschubprojekt wurde untersucht, ob sich Kartoffel-Genotypen mit unterschiedlichen P-Aneignungseffizienzen in der Expression der mikro-RNAs unterscheiden und ob diese mikro-RNAs eine Rolle bei der P-Aneignung der Kartoffel spielen. Dazu wurden zwei Kartoffel-Genotypen mit unterschiedlicher P-Aneignungseffizienz mit und ohne Phosphatzufuhr angezogen. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurde die Expression der mikro- RNAs miR399 und miR827 in Blättern und Wurzeln sowie die wurzelassoziierte Phosphataseaktivität gemessen. Die Phosphataseaktivität war ohne Phosphatzufuhr zum ersten Messzeitpunkt nach zwei Wochen signifikant erhöht, die mikro-RNA-Expression in den Wurzeln nach drei Wochen. In den Blättern wurde keine durch P-Mangel ausgelöste Erhöhung der Expressionslevel festgestellt. Ein starkes lokales Signal für eine Steigerung der Phosphataseaktivität (Phosphormangel an den Wurzeln) könnte hier das systemische Signal (erhöhte mikro-RNA-Expression) überdeckt haben. Ein direkter Zusammenhang zwischen mikro-RNA-Expression und Phosphataseaktivität konnte nicht nachgewiesen werden. Unterschiede zwischen Genotypen mit unterschiedlichen Phosphor-Aneignungseffizienzen wurden nicht gefunden.

Im Doktorandenprojekt "IV.2 Sustainability of potato production: Cloning and sequencing of candidate genes improving P acquisition efficiency to reduce fertilizer inputs" (Start Mai 2020) soll erstmalig die Allel-Variation von Kandidatengenen für eine Verbesserung der P-Aufnahme bei Kartoffeln auf P-defizienten Böden bewertet werden


P-NMR - 31P-NMR-Spektroskopie: Weiterentwicklung der Methoden und Anwendung auf P-Verbindungen und -flüsse in der Umwelt

P. Leinweber (UR), D. Michalik (LIKAT), D. Schulz-Bull (IOW)

Zusammenfassung
Phosphor (P) ist ein unverzichtbares Nährelement für lebende Organismen sowohl in terrestrischen als auch aquatischen Ökosystemen. Ein Überschuss kann allerdings schwerwiegende Umweltprobleme auslösen, wie zum Beispiel die Eutrophierung von Süßwasser und marinen Ökosystemen. Die Freisetzung von P aus Sedimenten in die Wassersäule hängt von der P-Speziierung, dem Vorkommen und der Labilität der verschiedenen P-Formen ab. Deshalb war es das Hauptziel dieses Projektes, die Methode der 31P kernmagnetischen Kernresonanz-Spektroskopie (31P-NMR) zu nutzen, um eine möglichst genaue Charakterisierung eines Probensatzes von Sedimenten entlang eines Transektes von norddeutschen Küstengewässern bis in die zentrale Ostsee zu erreichen. Die Ergebnisse der 31P-NMR Spektroskopie zeigen, dass die Vielfalt der verschiedenen Mono- und Diester-P-Verbindungen mit zunehmender Entfernung von der Küste abnimmt und dass hohe Anteile an stabilerem Orthophosphat insbesondere in größeren Wassertiefen vorhanden sind. Es ergibt sich ein Trend von vielen labilen hin zu weniger aber dafür stabileren P-Verbindungen mit abnehmendem terrestrischen und zunehmendem aquatischen Einfluss in Übereinstimmung mit den Ergebnissen der komplementären Methoden der sequenziellen P Fraktionierung und der synchrotron-basierten Röntgenabsorptionsspektroskopie (XANES). Diese Informationen können die Entwicklung von Maßnahmen zur Verringerung überschüssiger P-Einträge in aquatische Umgebungen unterstützen und damit einen grundlegenden Beitrag zum Umweltschutz leisten.

Publikation
Prüter, J., Leipe, T., Michalik, D., Klysubun, W., Leinweber, P. (2019) Phosphorus speciation in sediments from the Baltic Sea, evaluated by a multi-method approach. Journal of Soils and Sediments, DOI: 10.1007/s11368-019-02518-w


P-Recyclate - Verfahrenstechnische Konzepte zur Gewinnung landwirtschaftlich nutzbarer P-Recyclate aus Reststoffen der Tierproduktion

C. C. Metges (UR), J. Tränckner (UR)

Zusammenfassung
Ziel dieses Vorhabens ist die Erarbeitung eines technologischen Konzeptes zur Nutzung der in Gülle und Schlämmen aus Fischzuchtanlagen enthaltenen Wertstoffe wie Phosphor. Die Konzepterstellung erfolgte laborgestützt um geeignete und einander passende Methoden für folgende technologische Fragestellungen zu entwickeln:
▸ Phasenseparation
▸ Aufschluss des Phosphors aus den in der Gülle enthaltenen Feststoffen
▸ Fällung des Phosphors v.a. mit Calcium
▸ Trocknung bzw. Separation der erhaltenen P‐haltigen Rezyklate.
Zur Untersuchung einer möglichen Steigerung des Phosphor‐Aufschlusses wurden die Proben einer anaeroben Vorbehandlung unterzogen. Durch die Vergärung wurde der Phosphorgehalt in der flüssigen Phase deutlich und der Phosphatgehalt etwas erhöht. Der Säureaufschluss des in den Proben enthaltenen Phosphors wurde mit Schwefelsäure, Zitronensäure und Salzsäure in verschiedenen Volumenanteilen untersucht. Die höchste Mobilisierung wurde mit Schwefelsäure erreicht, so dass bei einem Verhältnis von 1:0,8 nahezu der gesamte Phosphor mobilisiert werden konnte. Mit Zitronensäure und Salzsäure wurden maximal 80 % des Phosphors mobilisiert. Die Fällung vorwiegend als Calciumphosphate erfolgte ab einem pH‐Wert von 8. Die Verdaulichkeit der erhaltenen P‐Rezyklate war bei geringen Trocknungstemperaturen mit 55 % am höchsten, wobei kein Calciumhydroxid zu dosiert werden musste. In Auswertung der Versuchsergebnisse wurde die Konzeption eines Verfahrens zur Phosphor‐Rückgewinnung aus Gülle und ähnlichen Schlämmen erstellt. Dieses Konzept wurde mittelständischen Unternehmen vorgestellt und diskutiert, so dass im Ergebnis ein Forschungsantrag zur weiteren Verfahrensentwicklung gestellt werden konnte. Im Rahmen dieser bereits positiv bewerteten Projektskizze wird ein Prototyp zur Phosphor‐und Stickstoff‐ Separation aus Gülle und ähnlichen Medien gebaut.

Basierend auf den Ergebnissen wurde erfolgreich ein Antrag beim BMBF (KMU innovativ) eingereicht: Optimierung der Stoffkreisläufe in der Landwirtschaft durch gezielte Fraktionierung von Gülle in Phosphor; Stickstoff und organischen Kohlenstoff (Kurzbezeichnung: PNC-Processing).


P-Redox - Cyclovoltammometrische Messungen an Phosphorliganden

R. Francke (UR), C. Hering-Junghans (LIKAT)

Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Projektes sollte ein elektrochemischer Messstand aufgebaut und die Methodik in Arbeitskreis Hering-Junghans etabliert werden. Mit Hilfe eines solchen Messstandes können elektrochemische Analysen, wie Cyclovoltammetrie und Differential Pulse Polarografie durchgeführt werden, welche es erlauben Informationen über die Redoxchemie chemischer Verbindungen zu erhalten.
Ein elektrochemischer Messstand setzt sich aus einem Potentiostaten, einer Messzelle mit Elektroden und einem Steuerrechner zusammen. Diese Gerätschaften wurden mit Hilfe eines „Sachkostenzuschusses“ des FCI beschafft und sollten nun im Rahmen dieses Projektes installiert und für Routinemessungen vorbereitet werden. Um ein effizientes Setup zu gewährleisten, kollaborierte die Nachwuchsgruppe Hering-Junghans mit der Nachwuchsgruppe von Dr. Robert Francke an der Universität Rostock. Die Francke-Gruppe beschäftigt sich ausschließlich mit elektrochemischen Fragestellungen und stellte einen perfekten Ansprechpartner für die Realisierung dieses Projektes dar. Das Anschubprojekt konnte erfolgreich abgeschlossen werden und der Arbeitskreis Hering-Junghans ist nun in der Lage, elektrochemische Messungen unter Schutzgas routinemäßig durchzuführen. In einer ersten Anwendung gelang es zu zeigen, dass Triphosphirane irreversibel reduziert werden, was einen wichtigen Beitrag zu einer Veröffentlichung in Chemical Science darstellte. Darüber hinaus konnten CV-Messungen für den Arbeitskreis von Prof. Dr. Axel Schulz durchgeführt werden, welche potentiell auch in einer Publikation resultieren werden.


SERAIP - Shifted excitation Raman difference spectroscopy testing for analysis of inorganic phosphorus, inositol phosphates (InsPx) and myo-inositol in environmental and animal samples

K. Sowoidnich (FBH), M. Oster (FBN), B. Sumpf (FBH), M. Maiwald (FBH), R. Schumann (UR), P. Leinweber (UR), G. Tränkle (FBH), K. Wimmers (FBN)

In der Ernährung von Hühnern und Schweinen wird der größte Teil des täglichen Bedarfs an Phosphor (P) aus Pflanzen in Form von Inositolphosphaten (InsPx) gewonnen, der jedoch aufgrund fehlender oder mangelnder endogener Phytase-Aktivität nicht effizient eingesetzt werden kann. Analytische Messungen zur Verbesserung des Einsatzes von InsPx sind daher unerlässlich, um die Umweltbelastung durch die Tierhaltung zu reduzieren und wertvolle mineralische P-Ressourcen zu erhalten. Im Anschubprojekt wurden ausgewählte P-haltige Verbindungen in komplexen Matrizes wie Futter, Kot und Boden/Sedimenten via Raman-Spektroskopie bzw. SERDS nachgewiesen (z. B. Phytat, InsP5, InsP3, myo-Inositol, Ca(H2PO4)2, CaHPO4, Ca3(PO4)2, Ca2O7P2, β-Glycerophosphat, DL-α-glycerol-6-phosphat). Diese alternativen physikalischen Techniken stellen demnach eine Alternative zur aufwendigen und zeitintensiven chemischen Analyse dar. Die erzielten Ergebnisse im Anschubprojekt tragen dazu bei, den Verbleib von P entlang des landwirtschaftlichen Kreislaufs in Futtermitteln, Tieren, Wirtschaftsdünger, Boden und Wasser nachzuvollziehen.

Publikation
Sowoidnich, K., Oster, M., Wimmers, K., Maiwald, M., Sumpf, B. (2021) Shifted excitation Raman difference spectroscopy as enabling technique for the analysis of animal feedstuff. Journal of Raman Spectroscopy, DOI: 10.1002/jrs.6140

Graduiertenschule I

TP 1: Mechanismen der P-Mobilisierung in der Rhizosphäre von Unkräutern und Kulturpflanzen

Doktorandin: Anika Zacher

Zusammenfassung
Die Verknappung der P-Ressourcen für die Düngemittelproduktion hat zur Folge, dass die Landwirtschaft die bestehenden P-Pools der Ackerböden für die Pflanzenproduktion effizienter nutzen muss. Unkrautregulierung reduziert die Konkurrenz der Unkrautvegetation gegenüber der Kulturpflanze, verhindert jedoch zugleich die Nutzung potenzieller bodenökologischer Vorzüge einer erhöhen Wurzelaktivität zur P-Mobilisierung.
Die vorliegenden Untersuchungen prüfen daher im Gefäß- und Feldversuch die Wirkung der Vergesellschaftung von Kulturpflanzen mit typischer Unkrautvegetation auf die P-Versorgung in P-defizienten Böden. Als Modell-Kulturpflanzen wurden Mais (Zea mays L.) und Kartoffeln (Solanum tuberosum L.) gewählt, die einen hohen P-Bedarf besitzen und zugleich im kommerziellen Anbau strikter Unkrautregulierung unterliegen. Die getesteten Unkrautarten (Chenopodium album, Echinochloa crus-galli, Tripleurospermum perforatum, Solanum nigrum, Polygonum convolvulus, Viola arvensis) sind Vertreter der typischen Samen-Unkrautgemeinschaft unter diesen Kulturen mit sehr diverser Wurzelmorphologie.
Die Ergebnisse belegen, dass die Vergesellschaftung mit Unkräutern zu einer erhöhten P-Mobilisierung (gemessen als Phosphataseaktivität und Konzentration pflanzenverfügbarem P im Boden) führen kann. Jedoch hat die Witterung einen signifikanten Einfluss auf das Ausmaß der Wirkung auf die P-Mobilisierung. Vergesellschaftung mit Unkräutern führte zu einer erhöhten Mykorrhizierungsrate der Kulturpflanze, unabhängig davon, ob die jeweilige Unkrautart selbst eine geringe oder hohe Mykorrhizierungsneigung aufwies. Die meisten der getesteten Unkrautarten wiesen eine eher geringe Mykorrhizierungsneigung, jedoch ein intensives Feinwurzelwachstum auf. Die P-Nutzungseffizienz der Unkräuter als Maß von Mobilisierung zu Pflanzenaufnahme und Wachstum variierte signifikant zwischen den Arten.
Die Ergebnisse des Rhizobox-Versuches belegen, dass der zymographische Nachweis von Phosphataseaktivitäten im Boden sehr gut geeignet ist, um die P-Mobilisierung unterschiedlicher Unkrautarten in der Rhizosphäre zu bewerten. Die Ergebnisse der Gefäß- und Feldversuche belegen, eine temporäre Toleranz von Unkräutern im Bestand signifikant zu verbesserter P-Versorgung der Kulturpflanzen beitragen kann. Die praktische Umsetzung einer solchen Maßnahme muss jedoch im Feldversuch optimiert und unter verschiedenen Witterungsbedingungen getestet werden, bevor sie zur Nachahmung empfohlen werden kann. Der mykorrhizierungsfördernde Effekt einer temporären Unkrauttoleranz sollte in Folgeuntersuchungen auf seine bodenökologische Bedeutung getestet werden, da die P-Versorgung nur einen Teilaspekt der Mykorrhizierungswirkung umfasst.


TP 2: Genetic regulation of phosphatase production and activity to
increase P uptake from deficient soils

Doktorandin: Katrin Wacker

Zusammenfassung
Die Kartoffel hat eine niedrige P-Aufnahmeeffizienz und einen hohen Bedarf an Phosphor (P). Ziele dieser Arbeit waren die Evaluierung der P-Aufnahme- und Nutzungseffizienz von Genbankakzessionen der Kartoffel, die Identifizierung morphologischer und physiologischer Mechanismen zur Verbesserung der P-Aufnahme und die Charakterisierung der Rolle, die Phosphatasen bei der P-Aufnahmeeffizienz spielen. Hierfür wurden im Gefäß 28 Genbankakzessionen bei P-Mangel und optimaler Versorgung getestet und solche mit hoher und niedriger P-Effizienz wurden selektiert. Die selektierten Genotypen wurden in mehreren Versuchen mineralisch und organisch gedüngt bzw. P-Mangel ausgesetzt. Neben agronomischen Parametern wurde die P-Aufnahme ermittelt, Expressionsmuster von Phosphatasegenen wurden erstellt, die Phosphataseaktivität in der Rhizosphäre wurde ermittelt und die Wurzelmorphologie der Genotypen wurde erfasst. Eine weitere
Evaluierung der Genotypen fand in Feldversuchen statt.

Innerhalb des aus 28 Genotypen bestehenden Diversitätssets gab es deutliche Unterschiede sowohl in der P-Aufnahme als auch in der P-Effizienz. Die selektierten Genotypen zeigten zwar Unterschiede im Expressionslevel der sauren Phosphatasegene PAP2 und PAP3, diese korrelierten allerdings nur schwach mit der Phosphataseaktivität im Boden. Offensichtlich besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Ausprägung des Wurzelsystems und der PAufnahme. Im Feld konnten die genotypischen Unterschiede hinsichtlich der Trockenmassebildung und Ertragsunterschiede der selektierten Genotypen verifiziert werden, es zeigte sich jedoch kein statistisch signifikanter Effekt der Düngung auf den Ertrag, obwohl die niedrigsten Knollenerträge für alle Genotypen in der ungedüngten Kontrolle gemessen wurden.

Da P im Vergleich zu anderen Pflanzennährstoffen im Boden wenig mobil ist, scheint die intensive Durchwurzelung des Bodens einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung der PAufnahmeeffizienz zu leisten. Die Bedeutung der Phosphatasen und der Phosphataseaktivität in der Rhizosphäre konnte im Rahmen dieser Studie nicht eindeutig belegt werden. Es gibt allerdings eine Reihe weiterer saurer Phosphatasen, die in der vorliegenden Arbeit nicht berücksichtigt wurden, und im Projekt PIPAPo konnte ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der P-Versorgung des Bodens und der Aktivität von
Phosphatasen direkt an den Wurzeln gezeigt werden. Die Ergebnisse von Feldversuchen haben verdeutlicht, dass selbst eine P-Unterversorgung nach aktueller Düngeempfehlung nicht zwangsläufig zur signifikanten Ertragsreduktion führen muss. Diese Ergebnisse decken sich z.T. mit Erfahrungen aus der Landwirtschaft und lassen darauf schließen, dass auch die pflanzenbauliche Praxis mit aktuellen Sorten noch einiges an Potential zur Reduktion des Einsatzes P-haltiger Düngemittel aufzuweisen hat.


TP 3: Phosphatases – Development of new quantitative assays along terrestrial-aquatic gradients

Doktorandin: Iris Schaub


TP 4: The P cycle and its application in land-based integrated aquaculture systems

Doktorand: Sebastian Strauch


TP 5: Genetic and nutritional effects on the efficiency of P use of monogastric animals

Doktorand: Christian Gerlinger


TP 6: Quality, Quantity and Transformation of P losses from diffuse sources to the Baltic Sea

Doktorandin: Sandra Jahn

Zusammenfassung
Phosphor (P) wird entlang der Fließgewässer von der Quelle bis zum Meer transportiert. Da P ständig zwischen den verschiedenen Fraktionen transformiert wird, ist das Verständnis der P-Dynamik entlang der Fließgewässer von entscheidender Bedeutung, um die Belastung zu reduzieren. In diesem Projekt wurden die Konzentrationen, Fraktionen und die Form, in der P an suspendiertem Material gebunden ist, im Einzugsgebiet der Zarnow, einem Teileinzugsgebiet der Warnow, untersucht. Dazu wurden 8 Stationen vom Dränauslass, dem angrenzenden Graben und weiter entlang des Baches bis zum übergeordneten Fluss, der Warnow, beprobt. In einer separaten Studie wurde der Dränauslass mit anderen Dränauslässen verglichen, um zu sehen wie repräsentativ dieser Dränauslass ist. Ferner wurde die Bioverfügbarkeit der Fraktionen bestimmt. Die Untersuchungen wurden vom 1. November 2015 bis zum 2. Mai 2017 durchgeführt. Ergänzende Arbeiten erfolgten bis zum Frühjahr 2018. Wir fanden eine räumliche und zeitliche Variation der Gesamt P (TP)-Konzentrationen und seiner Zusammensetzung. Extrem hohe TP- Konzentrationen wurden an der Station Prisannewitz im Sommer beobachtet, was wahrscheinlich auf Eintrag von Siedlungen oder Stallanlagen zurückzuführen ist. Die Beseitigung dieser Quellen kann die P-Last der Warnow deutlich reduzieren. Im untersuchten Warnow-Bereich findet durch Phytoplanktonproduktion eine Transformation von gelöstem reaktivem P (DRP) in partikuläres nichtreaktives P (PNP) PNP statt. Außer DRP sind auch partikulärer reaktives P (PRP) und gelöstes nichtreaktives P (DNP) teilweise bioverfügbar. In der Summe aller drei Fraktionen sind 45-47% der TP bioverfügbar. Bei der Annahme, dass nur DRP bioverfügbar ist, wird das Eutropierungspotential von TP um die Hälfte unterschätzt.

Projektbericht


TP 7: Processing of alternative P sources for fertilization in agriculture

Doktorand: Sina Jahanbakhsh


TP 8: Synthesis of new heterocyclic ring systems containing P

Doktorand: Tobias Täufer


TP 9: Large scale application of P based organocatalysts in batch and flow for the synthesis of fatty acid derived cyclic carbonates

Doktorand: Johannes Steinbauer


TP 10: Political-legal P governance by means of certificate markets and charges

Doktorandin: Jessica Stubenrauch


TP 11: Natural and anthropogenic organic P compounds – inositolphosphates, phospholipids and glyphosate

Doktorand: Constantin Recknagel

 

 

Anschubprojekte Impulsfond (2013-2015)

EvaPhoN - Evaluation der Phosphoraufschlüsse in unterschiedlichsten Naturmaterialien

Verschiedene Aufschlussverfahren für Gesamtphosphor wurden miteinander verglichen. Aufgeschlossene Materialien waren Trockenmassen und Aschen von Pflanzen, tierische Gewebe, Boden und Sedimenten und Seston. Dabei war es nicht vordergründiges Ziel, eine beste Methode zu finden, sondern die wichtigsten Arbeitsschritte zu identifizieren und die jeweiligen Vergleiche dem WissenschaftsCampus als Referenz zur Verfügung zu stellen. Außerdem wurden die Originalquellen der Methoden, Reviews und Methodenvergleiche zusammengestellt. Wir stellen ferner einige Aschen als Referenzmaterial zur Verfügung. Die bereits gründlich aufbereiteten Arbeitsanleitungen werden weiterhin regelmäßig ergänzt, so dass in einigen Jahren ein Methodenhandbuch entsteht.

Ansprechpartner: PD Dr. Rhena Schumann (Universität Rostock)


P-Eff-Mo - Genetische und ernährungsphysiologische Einflüsse auf die Effizienz des Phosphoreinsatzes in der Ernährung von Monogastriern

Mit dem Ziel, Maßnahmen für die Verbesserung der  Phosphor(P)-Effizienz bei Monogastriern abzuleiten, wurden in einem ersten Experiment die molekularen und physiologischen Antworten auf eine unterschiedliche P-Versorgung bei Absetzferkeln untersucht. Die gefütterte P-Menge über und unter derzeit geltenden Empfehlungen spiegelte sich in der Auslenkung physiologischer Serumparameter wie anorganischem Phosphat, Kalzium, Vitamin D3, Parathormon und Cathepsin K wider, während die zootechnischen Parameter wie Lebendmasse und Futteraufnahme keine Unterschiede zeigten. Die erhöhte P-Zufuhr hatte einen Einfluss auf das Knochengewebe auf struktureller (erhöhte Bone Mineral Density und Structure Model Index) und transkriptioneller Ebene (Aktivierung von Signalwegen, die mit Knochenmetabolismus assoziiert sind). Durch die multidisziplinäre Zusammenarbeit an dem Projekt ist es gelungen, P-abhängige Veränderungen des Metabolismus anhand physiologischer, molekularer und knochenmorphologischer Parameter nachzuweisen. Gene, die Diät-abhängig exprimiert wurden, sind die Grundlage für die Suche nach Kandidatengene für die Züchtung P-effizienter Tiere.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Klaus Wimmers (FBN)


Methodenentwicklung zur Bestimmung von partikulärem Glyphosat in der marinen Umgebung; Bioverfügbargeit von Glyphosat

Glyphosat ist der Wirkstoff in herbiziden Formulierungen wie Roundup®. Ziel des Projektes war zum einen die Methodenentwicklung für die Extraktion von marinem partikulärem Glyphosat, darüber hinaus sollten seine Adsorptionseigenschaften an landwirtschaftlich genutzten Böden in Mecklenburg-Vorpommern analysiert werden. Ferner sollte der mikrobielle Abbau und die potentielle Bioverfügbarkeit Glyphosats für die Ostsee untersucht werden. Es wurden Adsorptionsexperimente mit Ostseesedimenten mit hohen und niedrigen organischem Kohlenstoffgehalt, Sand und Mineralien durchgeführt. Glyphosat konnte durch Variation des pH-Wertes in Abhängigkeit des Bodentyps extrahiert werden. Während hohe Extraktionsausbeuten für Glyphosat aus Mineralien erreicht wurden, war die Extraktionseffizienz aus den Sedimenten noch nicht zufriedenstellend und benötigt weitere Entwicklung. Die erstellten Adsorptionsisothermen für die gesammelten Bodenproben, die repräsentativ für die Landschaft Mecklenburg-Vorpommerns sind, deuten auf eine sehr hohe Affinität für Glyphosat zu den Böden. Zellkulturexperimente mit dem Cyanobakterium Nodularia spumigena, welches typisch für die Ostsee ist, wurden durchgeführt. Die Ergebnisse des Projektes dienen der Entwicklung weitergehender Strategien, vor allem zur Identifizierung der Faktoren, die maßgeblich die Adsorptionseigenschaften Glyphosats bestimmen.   

Ansprechpartner: Dr. Marion Kanwischer (IOW)


Phänotypische und molekulare Charakterisierung der P-Nutzungs- und Aufnahmeeffizienz von Solanum tuberosum

Dieses Projekt hatte zum Ziel, erste Erkenntnisse über genetische Ressourcen der Kartoffel mit Augenmerk auf die Phosphoreffizienz (P-Effizienz) zu gewinnen und anschließend einen Projektantrag für ein Folgeprojekt einzureichen. Daten aus dem durchgeführten Vorversuch zeigten, dass sich verschiedene Kartoffelgenotypen in ihrer P-Effizienz unterscheiden, was auch mit Daten aus der Literatur übereinstimmt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird ein Projektantrag mit dem Thema „P-Effizienz von Kartoffeln“ bei der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) eingereicht werden.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Ralf Uptmoor (Universität Rostock)


RON - Recycling von auf Phosphor basierenden Organokatalysatoren durch Nanofiltration

Im Rahmen dieses Projektes wurden kommerziell erhältliche und lösungsmittelstabile Nanofiltrations-Membranen (OSN) als nachhaltige Alternative zur Abtrennung bifunktionaler Phosphoniumsalze durch Destillation untersucht. Die Reaktion und der Filtrationsprozess wurden hinsichtlich verschiedener Prozessparameter optimiert (Katalysator, Lösungsmittel, Membran usw.). Unter den optimierten Bedingungen betrug der Katalysatorrückhalt bis zu 99%, wobei dieser viermal wiederverwendet werden konnte. Die Ergebnisse sind als Publikation in einem international peer-reviewten Journal eingereicht worden.

Ansprechpartner: Dr. Thomas Werner (LIKAT)