Projekte

Laufzeit: 01.02.2023 - 31.07.2023

K. Wimmers (FBN), H. Reyer (FBN), D.-C. Fischer (UMR)

Zusammenfassung
Mesenchymale Stammzellen haben sich zu einer bewährten Alternative für die muskuloskelettale Stammzellforschung entwickelt. Hierbei fokussieren die Arbeiten auf die vergleichende Analyse der mesenchymalen Stammzellen zweier Schweinerassen (Deutsche Landrasse und Angler Sattelschweine), die sich in Wachstumsleistung, Fettansatz und Zuchtgeschichte wesentlich unterscheiden. Jedoch erstreckt sich der Differenzierungsprozess der Stammzellen zu Osteozyten über einen Zeitraum von etwa 28 Tagen. Für ein effektives Screening von Effektormolekülen aus dem Phosphorstoffwechsel sind verkürzte Kultivierungsverfahren mit alternativen osteoblastenartigen Zelllinien von Interesse. Entsprechend wurden im Rahmen des Seed‐Projekts primäre synoviale, mesenchymale Stammzellen porcinen Ursprungs sowie eine murine, osteoblastenähnliche Zelllinie (MC3T3) kultiviert. Die mesenchymalen Stammzellen wurden erfolgreich zu knochenaufbauenden Zellen (Osteoblasten) ausdifferenziert und deren Einlagerung von Calciumphosphat nachgewiesen. Ebenso wurden Aliquots der subkultivierten MC3T3‐Zellen kryokonserviert und stehen für Folgeversuche zur Verfügung. Erste Analysen zur Abbildung des Expressionsprofils aus kultivierten Knochenzellen wurden abgeschlossen.

Laufzeit: 01.06.2019 – 31.03.2020

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

Zusammenfassung
In Schweinen übersteigt die Phosphor (P)-Versorgung mit der Nahrung häufig den altersabhängigen Bedarf, sodass Schweinegülle in der Regel eine hohe P-Belastung aufweist. Neue Fütterungsstrategien zielen auf eine verbesserte P-Effizienz durch eine sogenannte PKonditionierung. Hier geht man der Frage nach, in wie weit eine langfristige Supplementierung bzw. Reduzierung von P in entwicklungsbiologisch sensitiven Zeitfenstern wie der fetalen oder früh-postnatalen Entwicklung zu epigenetischen und transkriptionellen Modifikationen führt. Die Entwicklung und Analyse von epigenetischen Markern in DNASequenzen von Genen, die für die Aufrechterhaltung der P-Homöostase relevant sind, wird zum Verständnis der intrinsischen Reaktionen auf Umweltfaktoren bei höheren Säugetieren beitragen. In dieser Studie wurden die Nachkommen von Schweinen während der Trächtigkeit, der Laktation und der postnatalen Entwicklung in einem 3x3-Design einer mütterlichen und postnatalen Diät mit variablen P-Gehalten ausgesetzt. Bei Nebenschilddrüsen wurden im Vorfeld Transkriptionsprofile nach 120 Lebenstagen untersucht, um die Wirksamkeit der Fütterungsstrategien zur Aufrechterhaltung der PHomöostase zu veranschaulichen. Die Forschungsarbeiten zeigen eine Anpassung v.a. auf Ebene der Signaltranduktion für die Regulation von PTH (Parathormon), was sich in molekularen epigenetischen Profilen einerseits und phänotypischen Effekten in den Knochen andererseits widerspiegelt. Insbesondere konnten epigenetische Marker in den Promotorsequenzen der Gene PTH, PTH1R, FGFR1 und SPP1 erfolgreich analysiert werden. Die prozentualen Methylierungsgrade der untersuchten CpG-Dinukleotide innerhalb der PCR-amplifizierten Fragmente zeigten für die Gene PTH und SPP1 (Osteopontin) Ergebnisse, die für die Modulation der P-Homöostase genutzt werden könnten. Die Quantifizierung von PTH, das als Vermittler zwischen Nebenschilddrüsen und Knochen fungiert, konnte im Serum in kommerziellen Analysekits aufgrund mangelnder Kreuzreaktivität mit der Zieltierart Schwein nicht bestimmt werden. Weiterhin zeigten sich diätetische Effekte auf die Rohaschegehalte von Metakarpalknochen, jedoch waren die Gehalte an P und Calcium im speziellen nicht betroffen. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass eine ausreichende Versorgung der Knochen mit P und Calcium bei Schweinen auch mit einer reduzierten P-Diät möglich ist.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die P-Homöostase aufgrund intrinsischer Mechanismen sichergestellt werden konnte. Die erzielten Ergebnisse im Anschubprojekt tragen dazu bei, die endogenen Reaktionen auf physiologischer Ebene nachzuvollziehen und Rückschlüsse auf die systemische Regulation von P und Calcium abzuschätzen. Es wird angestrebt, auf Grundlage der Etablierung epigenetischer Marker im Rahmen eines interdisziplinären Projektes zum systemischen Zusammenspiel von Nebenschilddrüse, Niere, Darm und Knochen in Huhn und Schwein weitere Drittmittelförderung einzuwerben.

Laufzeit: 01.01.2023 - 30.11.2023

T. Goldammer (FBN), I. Sokolova (UR)

Zusammenfassung
Für viele in der Aquakultur kultivierte Organismen liegen kaum molekulare Informationen zum P-Haushalt vor. Für die Schonung der P-Ressourcen in der Aquakultur durch Optimierung der Haltungsbedingungen fehlen somit valide Daten. Initiale Analysen im Rahmen einer erfolgreich abgeschlossenen Masterarbeit führten zur Identifizierung putativer Schlüsselmoleküle des P-Metabolismus (Fgf23, Pth1r, Pth2r, Pth3r, Pth4, Stc1, Stc2, Casr, Vdr, Slc34a1, Slc34a2) für die Fischarten Atlantischer Lachs Salmo salar, Zander Sander lucioperca. Da diese Gene spezifisch für Vertebraten sind, sollten im Rahmen einer zweiten Qualifikationsarbeit Gene für den P-Transport in den Invertebraten Miesmuschel Mytilus edulis und Schwarze Tigergarnele Penaeus monodon identifiziert werden. Dieses Ziel wurde nicht erreicht, da sich kein Student für die molekularbiologischen Arbeiten am außerhalb Rostocks liegenden FBN fand. Es wurden deshalb die vorhandenen Gene für die Fischspezies weiter validiert. Insgesamt konnten für 21 Gene (Zander, 10 Gene; Atlant. Lachs, 11 Gene) funktionsfähige Primersets für funktionale Analysen auf Genexpressionsebene generiert werden. Das Projekt bietet somit eine erste Grundlage für die Analyse des P-Stoffwechsels mit Genexpressionsstudien bei den beiden Aquakulturarten Zander und Atlantischer Lachs. Eine Ausweitung der Suche nach zusätzlichen Genen, die insbesondere am P-Transport beteiligt sind, wird vorgeschlagen. Dies wird künftige vergleichende Vorhersagen über den P-Stoffwechsel zwischen Fischen und Wirbellosen ermöglichen und somit zur besseren Modellierung der P-Verwertung in der Aquakultur von tierischen Organismen beitragen.

Abschlussbericht zu "GePFI"

Laufzeit: 09.09.2022 – 31.10.2022

F. Ekardt (UR/FNK), B. Garske (FNK), U. Bathmann (IOW)

Laufzeit: 01.02.2023 - 31.10.2023

J. Keiler (UMR), M. Oster (FBN)

Zusammenfassung
Die Hauptzellen der Nebenschilddrüse (NSD) und ihr wichtigstes endokrines Produkt, das Parathormon (PTH), sind für die Aufrechterhaltung der Mineralstoffhomöostase unerlässlich. NSD enthalten im Wesentlichen Läppchen aus PTH-produzierenden Zellen, die von extrazellulärem Kollagen umgeben sind. Schweine-NSD-Genexpressionsmuster zeigten eine verringerte PTH- und eine erhöhte Kollagen-mRNA-Häufigkeit nach verringerter Phosphorversorgung. Um die Auswirkungen von Langzeitdiäten mit variabler Phosphorversorgung auf die makroskopische Struktur von Schweine-Nebenschilddrüsen (NSD) zu untersuchen, wurden die Flächenanteile von NSD-Hauptzellen und extrazellulärem Kollagen durch Bildanalyse auf Basis von histochemischen Schnittfärbungen analysiert. Um die Spezifität der histochemischen Färbungen durch Immunhistochemie verifizieren zu können, mussten zunächst entsprechende Antikörper etabliert bzw. getestet werden. Im Rahmen dieser Anschubförderung erfolgte die erfolgreiche Etablierung der Antikörper und damit verbundene Verifizierung der histochemischen Färbungen. Mit den erfolgreich etablierten Antikörpern können nun tierintrinsische Mechanismen zur Morphologie der NSD nach variabler Phosphorversorgung abgebildet und Aussagen zur Tiergesundheit getroffen werden.

Laufzeit: 01.04.2023 - 31.10.2023

K.J. Dehmer (IPK), M. Kavka (IPK), B. Eichler-Löbermann (UR)

Zusammenfassung
The study showed that medium sized rhizotrons can be successfully employed to detect root system responses to low P conditions in crop plant species like alfalfa. Significant variability in biomass responses was revealed with regard to shoot and root dry matter. Higher root shoot ratio indicated a preference for root growth under low P conditions in some of the tested accessions. PCA analyses elucidated that root size is dependent on accession and P treatment, while root diameter and rooting density are stronger responding to P treatment only. These findings emphasise the importance of understanding root system responses to P availability and offer insights into selecting accessions with desirable biomass allocation strategies for enhanced nutrient use efficiency. The next steps would be to test also other seed crops and to confirm the durability of this new medium sized rhizotron system.

Laufzeit: 01.02.2023 - 30.11.2023

B. Eichler-Löbermann (UR), M. Holz (ZALF), K.J. Dehmer (IPK), M. Kavka (IPK)

Zusammenfassung
The combination of plant species can affect the root physiology as well as the root architecture. Two rhizobox studies were established in order to investigate interactions between plant species in a very early development in dependence of the phosphorus (P) supply at the University of Rostock (Study 1) and at ZALF (Müncheberg) (Study 2). Study 1 found that beside the development of the shoot also root traits and root exudation were measured. Clear differences were found between the root systems of the plant species with much higher lengths for the monocots German ryegrass and cocksfoot and the legumes red clover and lucerne. The P supply affected only the monocots while the cultivation design had no effects under these experimental conditions. In study 2, only lucerne and ryegrass were compared and root and shoot biomass as well as root exudation was quantified. The P treatment reduced plant growth in the monoculture. In contrast, while low P strongly reduced lucerne in mixed cropping, but it did not affect growth of ryegrass in mixed cropping. Exudation rates were unaffected by the cropping treatment and were only increased in lucerne upon P limitation. In order to obtain effects of the cultivation design, the growth period would probably have to be extended.

Laufzeit: 30.11.2022 - 30.11.2023

M. Kanwischer (IOW), R. Schumann (UR)

Zusammenfassung
Die Organophosphorsubstanz Methylphosphonsäure (MPn) ist ein potentielles Substrat für die Produktion von Methan im oxischen Bereich der Wassersäule. Für das Oberflächenwasser der Bornholmsee konnte ein direkter Zusammenhang zwischen dem Abbau von MPn und der Bildung von Methan gezeigt werden. Dabei wird vermutet, dass dies auch im Zusammenhang mit dem Vorkommen von Cyanobakterien steht. In diesem Anschubprojekt sollen wichtige Vorarbeiten für vergleichende Untersuchungen zu Vorkommen und Verteilung des potentiellen Methansubstrates MPn in der Ostsee und Küstengebieten, u.a. des Darss-Zingster-Bodden durchgeführt werden. Im Rahmen dieses Anschubprojektes erfolgte im Zeitraum vom April bis Mai 2023 eine monatliche Probenahme von Oberflächenwasser entlang des Salinitätsgradienten des Darss-Zingster-Boddens. Die geplanten praktischen Arbeiten in Bezug auf MPn konnten bislang nicht durchgeführt werden, da aufgrund eines Wasserschadens in den Laboren der AG organische Spurenstoffe, keine praktischen Arbeiten möglich sind. Sobald möglich, werden diese Arbeiten nachgeholt. Es wird eine umfangreiche Auswertung zusammen mit den erhobenen Begleitparametern erfolgen, um daraus methodische Verbesserungen und Ziele für die weiteren gemeinsamen geplanten Untersuchungen abzuleiten.

Abschlussbericht zu "MPn-Analytik"

Laufzeit: 01.10.2019 – 31.12.2021

T. Werner (LIKAT), A. Börner (UR)

Zusammenfassung
Overall, the synthesis of the Wittig precursor 1 has been established in a multi-gram scale starting from 3.6 g substrate 2 to obtain 2.6 g of the desired compound 1 which is an overall yield of 36%. So far on a 0.4 mmol scale we were able to isolate 65% (range: 58–71%) of the desired product chiral bis-nor Wieland Miescher ketone with an average of 77% ee (range: 66–87%). Which represents a significant improvement compared to our previous report. The results were submitted as a solicitation proposal to Organic Synthesis (by invitation by Prof. Dirk Trauner). Unfortunately, the proposal was turned down at the present stage.

Laufzeit: 01.11.2019 - 31.12.2019

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.

Abschlussbericht zu "P-ChemBind"

Laufzeit: 01.11.2022 - 31.07.2023

F. Jansen (UR), U. Buszco (UR), N. Wrage-Mönnig (UR), J. Müller (UR)

Zusammenfassung
Hohe pflanzenverfügbare Phosphorgehalte im Boden können die pflanzliche Artenvielfalt (Phytodiversität) auf bewirtschaftetem und natürlichem Grünland beeinträchtigen. Dies wurde bisher jedoch nur im großen räumlichen Maßstab und für hohe Phosphorgehalte demonstriert. Die Fragestellung in diesem Projekt war, ob sich auch auf einer kleinräumigen, lokalen Skala und bei niedrigen pflanzenverfügbaren P-Gehalten ein Zusammenhang zwischen P-Gehalt und Phytodiversität ergibt. Darauf aufbauend sollte zudem untersucht werden, ob die Phosphorgehaltsklassen, die für Ackerböden und Wirtschafts-Grünland aufgestellt wurden, auch für die Charakterisierung von naturbelassenen Grünlandstandorten Anwendung finden können.
Als Untersuchungsgebiet diente das kleine NSG Kösterbeck nahe Rostock. Hier konnte auf einen reichen Datensatz von Vegetationsaufnahmen aus dem Jahre 2015 zurückgegriffen werden. Es wurden zusätzlich an ausgewählten Punkten Bodenproben entnommen und mit Hilfe der Doppellaktat-Extraktion pflanzenverfügbare P-Gehalte (P(DL)) ermittelt.
Es ergaben sich durchweg geringe P(DL)-Gehalte, die fast alle in den Gehaltsklassen "A" und "B" liegen. Es konnte kein Zusammenhang zwischen P(DL)-Gehalten und der Artenzahl je m² festgestellt werden. Ähnliches gilt für die P(DL)-Gehalte und der Biomasse je m². Als Gründe für die fehlenden Zusammenhänge kann die geringe räumliche Skala der Untersuchung und die geringe Bandbreite der P(DL)-Gehalte vermutet werden. Eine Schlussfolgerung der Studie ist, dass die P(DL) Gehalte und die darauf basierenden Gehaltsklassen alleine nicht ausreichend sind, um kleinräumige naturbelassene Grünlandstandorte im Hinblick auf Phytodiversität und Biomasse zu charakterisieren. Anscheinend ist der Nährstoff Phosphor, trotz der vordergründig niedrigen P(DL)-Gehalte, auf diesem Standort nicht limitierend. Die auf Maximalertrag ausgerichteten Gehaltsklassen haben offenbar wenig Bezug zu den für den Zusammenhalt von Lebensgemeinschaften entscheidenden Phosphorgehaltsbereich. Eine echte P-Mangelgrenze befindet sich weit unterhalb der Grenze zwischen der PGehaltsklasse A ("stark unterversorgt") und B ("unterversorgt"). Die Untersuchung weiterer Makronährstoffe (K, Mg, Ca, S) und auch der Mikronährstoffe wäre sinnvoll, um der Frage nachgehen zu können, welcher Nährstoff für die Pflanzen am jeweiligen Standort de facto limitierend ist.

Abschlussbericht zu "PhosPhyDiv"

Laufzeit: 01.08.2019 – 31.12.2019

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.

Abschlussbericht zu "PIAG"

Laufzeit: 01.10.2022 - 31.07.2023

V. Brüser (INP), J. Tränckner (UR)

Zusammenfassung
Das Ziel der Studie war die Untersuchung des Einflusses von Mikrowellenplasmen auf Gülle und Klärschlammsubstrate hinsichtlich der Wirkung auf die Mobilisierung von Phosphat. Dazu wurden sechs Substrate wie Mischschlamm, Faulschlamm, Schweinegülle, fermentierte Schweinegülle, Rindergülle und fermentierte Rindergülle ausgewählt und mit Plasma behandelt. Unmittelbar nach der Plasmabehandlung wurde gelöstes P mittels Hach-Lange Küvetten-Tests und drei Wochen später mit eine Methode nach DIN EN ISO6878 bestimmt. Die Ergebnisse lassen keine deutliche Wirkung auf die Mobilisierung von Phosphat erkennen.
Während die Küvetten-Tests bei drei Proben eine schwache Zunahme von gelöstem P anzeigten ergaben die Messungen nach drei Wochen einen gegenteiligen Effekt, der Anteil an gelöstem P sank deutlich. Andererseits zeigen die Ergebnisse jedoch, dass eine Veränderung der Substrate grundsätzlich bewirkt wurde.
Eine sinnvolle Plasmabehandlung ergibt sich möglicherweise durch Kombination mit einem unterstützenden Säureaufschluss, wobei ein effizienterer Säureeinsatz erhofft werden kann. Alternativ bzw. ergänzend kann die Kombination mit einem nachgelagerten anaeroben Aufbereitungsschritt (bei verbesserter Abbaubarkeit organischer Substanz) zu einer erhöhten P-Freisetzung führen. Diese Hypothesen müssen in weiteren Projekten geprüft werden.

Abschlussbericht zu "PlaBiPhos"

Laufzeit: 01.01.2023 - 31.05.2023

V. Brüser (INP), J. Tränckner (UR), J. Kolb (INP)

Zusammenfassung
In der metallverarbeitenden Industrie fallen bei Oberflächenbehandlungen Phosphonsäureabfälle an, die derzeit nur sehr aufwendig entsorgt und deponiert werden. Der darin enthaltene Phosphor wird somit dem Kreislauf entzogen und kann nicht wiederverwendet werden.
In diesem Anschubprojekt sollte belegt werden, dass Plasmabehandlungen grundsätzlich geeignet sind, Phosphonsäure in nutzbares Phosphat umzuwandeln.
Im Projektverlauf zeigte sich, dass die ausgewählten Analysenmethoden leider nicht geeignet waren, möglicherweise erzeugtes Phosphat neben Phosphonat nachzuweisen. Wahrscheinlich wurden bei jeder Analyse beide Anteile erfasst, wodurch Aussagen zum Erreichen des Projektziels leider nicht möglich sind. Zum Schluss des Berichtszeitraumes wurden Fällungsversuche durchgeführt, die Hinweise zum Gelingen der Oxidationsreaktion zeigen. Diese Versuche, speziell die Analysen der Fällungsprodukte, sind jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht abgeschlossen, so dass endgültige Aussagen erst nach Projektende getroffen werden können. Die Untersuchungen werden weitergeführt, da es seitens der Industrie ein deutliches Interesse gibt, Phosphonatabfälle aufzuarbeiten und somit den Phosphor weiteren Verwendungen zuzuführen.

Laufzeit: 01.11.2023 - 31.07.2023

K. Wimmers (FBN), M. Oster (FBN), D.-C. Fischer (UMR)

Zusammenfassung
Der Fibroblasten‐Wachstumsfaktor‐23 (FGF23) ist ein wichtiges, aus dem Knochen stammendes Hormon, das eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der renalen PResorption und der Vitamin‐D‐Hormonsynthese in der Niere spielt. Bisher waren für die Spezies "Schwein" weder qualitative noch quantitative Verfahren zum Nachweis von FGF23 und seinen Rezeptoren verfügbar. Im Rahmen dieses Anschubprojekts konnte ein kommerziell erhältlicher ELISA identifiziert werden, der für die Quantifizierung von porcinen FGF23 aus Serum und Plasma geeignet ist. Weiterhin ist es gelungen, kommerziell verfügbare Antikörper gegen FGF23 und α‐Klotho zu identifizieren, die den immunhistochemischen Nachweis dieser Proteine in porcinen Zielgeweben der Mineralstoffhomöostase ermöglichen. Leider ist es nicht gelungen, rekombinantes porcines FGF23 als Grundlage für die Entwicklung eines geeigneten FGF23‐spezifischen Antikörpers herzustellen.
Dennoch gelang es, die analytischen Verfahren, die für ein besseres Verständnis der PHomöostase bei Nutztieren erforderlich sind, kontinuierlich zu optimieren. Der Nachweis von FGF23 in Geweben und der Zirkulation ist ein wichtiger Baustein, um Fragen zur Tiergesundheit, zu systemischen, endogenen Prozessen der Mineralstoffhomöostase, sowie zu P‐Emissionen in der Tierhaltung zu adressieren. Auf Basis der jetzt etablierten Methoden soll mittelfristig in Folgearbeiten untersucht werden, inwieweit FGF23 und dessen Rezeptoren nach variabler P‐Zufuhr zur ineralstoffregulation beitragen.

Laufzeit: 15.09.2019 – 31.12.2019

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.

Abschlussbericht zu "PQ4N"

Laufzeit: 01.10.2019 - 31.12.2020

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.

Abschlussbericht zu "ProCycle"

Laufzeit: 01.03.2019 - 30.06.2020

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

Zusammenfassung
Isotopenmarkierte Substanzen werden häufig in Tracer-Experimenten genutzt, um diese bzw. ihre entsprechend markierten Abbauprodukte zu verfolgen durch z. B. Einsatz sensitiver instrumenteller Analytik. Im vorliegenden speziellen Fall führt der Einsatz kommerziell erhältlichen isotopenmarkierten Glyphosates allerdings zur Bildung eines ¹⁵N-AMPA – Abbauproduktes, welches mit herkömmlichen analytischen Herangehen-weisen nicht zu quantifizieren und analytisch abzusichern ist.
Im Projekt AMPA konnte mithilfe von synthetisiertem ¹⁵N-AMPA der Nachweis erbracht werden, dass der Abbau des in einem Lysimeterexperiment eingesetzten ¹³C-¹⁵N-Glyphosates über ¹⁵N-AMPA erfolgte. Gehalte an ¹⁵N-AMPA konnten in den Bodenproben des Experimentes nach erneuter Analyse quantifiziert werden.

Publikation aus dem Projekt

Wirth, M.A., Longwitz, L., Kanwischer, M., Gros, P., Leinweber, P., Werner, T. (2021) AMPA-¹⁵N – Synthesis and application as standard compound in traceable degradation studies of glyphosate. Ecotoxicology and Environmental Safety 225, DOI: 10.1016/j.ecoenv.2021.112768

Abschlussbericht zu "AMPA"

Laufzeit: 01.06.2018 ‐ 31.08.2018

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

Zusammenfassung
Das Seed‐Projekt "Crysphos" untersuchte die gezielte Kristallisation von organischen Phosphaten mittels Metallionen aus der Gruppe der Lanthanoide, welche schlussendlich hierüber eine potentielle Rezyklierung ermöglichen soll. Die experimentellen Arbeiten zeigten deutlich, dass für nahezu alle untersuchten organischen Phosphate eine nahezu quantitative Abtrennung möglich ist, wobei zusätzlich die Löslichkeitsunterschiede zwischen Lanthan und Yttrium‐Salzen ausgenutzt werden können.

Abschlussbericht zu "Crysphos"

Laufzeit: 01.04.2017 - 30.06.2019

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

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.

Publikation aus dem Projekt

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

Abschlussbericht zu "Desalting"

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.

R. Schumann (UR)

Zusammenfassung
s. Projekt P-Digest

Laufzeit: 01.12.2018 - 01.12.2019

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.

Abschlussbericht zu "Extremophile"

Laufzeit: 01.08.2017 - 30.06.2018

V. Brüser (INP), T. Werner (LIKAT)

Zusammenfassung
The immobilization of catalysts permits both facile separations from the product avoiding tedious purification as well as easy recycling of the catalyst. The plasma‐assisted catalyst immobilization has drawn significant attention due to its coating with the direct attachment on the surface without the need of supported substrates. So far, there is only a limited number of research done with immobilization of catalysts using plasma techniques. In the last decade the valorization of CO₂ into useful products gained much interest and therefor the synthesis of cyclic carbonates from epoxides and CO₂ is a prominent example. In this context we designed and synthesized phosphonium salts, and immobilized them on the surface of TiO₂, FeO and SiO₂ by using amorphous hydrogenated carbon thin films generated from plasma techniques. After preliminarily study, SiO₂ was found to be the best support, the heterogeneous catalyst was prepared with plasma treatment, and analysed with elemental analysis, solid state NMR, SEM and EDX. The immobilized phosphonium salt catalyst showed very good activity in the cycloaddition of CO₂ to epoxides, and offered a variety of substrate scope for the conversion of epoxides under mild conditions. Furthermore, the catalyst recycling was achieved for the first time in the plasma‐assisted immobilization of catalysts. In conclusion we developed an efficient immobilized catalytic system operating under mild conditions for terminal and internal epoxides, and succeeded in the recycling of the catalyst, which was immobilized with plasma techniques for the first time.

Abschlussbericht zu "H-POP"

Laufzeit: 01.03.2017 ‐ 31.03.2018

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 aus dem Projekt
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

Abschlussbericht zu "MitoP"

Laufzeit: 01.06.2017 - 31.05.2018

A. Schulz (UR), T. Werner (LIKAT)

Zusammenfassung
The kickoff project "P-Aktiv" is separated into three parts: the activation of small molecules utilizing phosphorus based biradicaloids as organocatalysts, the enzymatic kinetic resolution of cyclic carbonates, which are prepared with phosphonium salt as catalysts, and the investigation of a catalytic Wittig reaction using phosphane oxides as pre‐catalysts. The experimental work in all three projects has been finished and currently the publication of these results is ongoing in different stages.

Publikationen aus dem Projekt
Grandane, A., Longwitz, L., Roolf, C., Spannenberg, A., Murua Escobar, H., Junghans, C., Suna, E., Werner, T. (2019): Intramolecular Base-Free Catalytic Wittig Reaction: Synthesis of Benzoxepinones. Journal of Organic Chemistry 84: 1320-1329, DOI: 10.1021/acs.joc.8b02789

Longwitz, L., Werner, T. (2019) Recent advances in catalytic Wittig-type reactions based on P(III)/P(V) redox cycling. Pure and Applied Chemistry 91,1: 95-102, DOI: 10.1515/pac-2018-0920

Abschlussbericht zu "P-Aktiv"

Laufzeit: 19.07.2018 - 31.12.2018

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

Zusammenfassung
s. Projekt P-Digest

Laufzeit: 01.05.2019 - 30.06.2019

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.

Projektbericht

Laufzeit: 01.04.2017 - 30.04.2018

K. J. 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.

Abschlussbericht zu "PIPAPo"

Laufzeit: 15.06.2017 – 30.06.2018

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 aus dem Projekt
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

Abschlussbericht zu "P-NMR"

Laufzeit: 01.09.2017 - 31.07.2018

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).

Abschlussbericht zu "P-Recycling"

Laufzeit: 01.04.2019 - 30.06.2019

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.

Abschlussbericht zu "P-Redox"

Laufzeit: 01.04.2019 - 30.06.2019

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

Zusammenfassung
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 aus dem Projekt
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

Abschlussbericht zu "SERAIP"

Laufzeit: 01.02.2020 – 30.04.2022

Bearbeiter: Dr. Marian Koch, Dr. Sate Ahmad

Projektbericht

Laufzeit: 01.04.2018 - 30.09.2022

Doktorandin: Julia Prüter (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Phosphorus (P) is an indispensable nutrient element for all organisms but at the same time contributes significantly to excessive eutrophication in aquatic ecosystems. Knowledge about the chemical P speciation is essential to assess possible risks of P transport towards vulnerable aquatic ecosystems. To date, this knowledge, especially for transects including soil and sediment samples from terrestrial to aquatic ecosystems, is still insufficient. Thus, the general objective of the present work was to characterize the P speciation and to detect transformation processes along transport pathways at the fluent boundaries between land and sea including terrestrial soils, semiterrestrial wetlands and aquatic sediments. Besides analyses of elemental concentrations and water contents, terrestrial/semiterrestrial soils and aquatic sediments from micro-, meso- and macroscale ecosystems were analyzed by a multi-method approach including sequential P fractionation, P K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy and 31P nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. The detection of specific organic P species with terrestrial origin in arable soils as well as in adjacent sediments supported the assumption of direct P transport processes from terrestrial towards aquatic ecosystems. The complementary results confirmed a transition from labile and moderately labile Fe- and Al-associated P and great variety of organic P species in terrestrial soils towards more stable Ca- and Mg-P and less different organic P species in aquatic sediments. Kettle hole sediments, coastal wetland soils and Baltic Sea lagoon sediments acted as sinks for accumulations of especially stable P and complex organically bound P species. Some of the stable P species in aquatic sediments at the bottom of lake or sea waters can originate from Ca-P dominated fish fecal matter. To protect vulnerable aquatic ecosystems from further P inputs, kettle holes, coastal wetland buffer strips and deeper areas in shallow Baltic Sea lagoons have to be preserved and maintained or created in areas where they have not been available so far. Forthcoming studies have to focus on possible P recycling from terrestrial as well as aquatic sinks to contribute to closing P cycles in agricultural fertilization and adjacent ecosystems.

Publikationen aus dem Projekt

Prüter, J., Schumann, R., Klysubun, W., Leinweber, P. (2023) Characterization of Phosphate Compounds along a Catena from Arable and Wetland Soil to Sediments in a Baltic Sea lagoon. Soil Syst., 7, 15. DOI: 10.3390/soilsystems7010015

Prüter, J., McLaren, T.I., Pätzig, M., Hu, Y., Leinweber, P. (2022) Phosphorus speciation along a soil to kettle hole transect: sequential P fractionation, P XANES, and 31P NMR spectroscopy. Geoderma 429:116215. DOI: 10.1016/j.geoderma.2022.116215

Prüter, J., Hu, Y., Leinweber, P. (2022) Influence of sample pretreatment on P speciation in sediments evaluated with sequential fractionation and P K-edge XANES spectroscopy. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 53:14, 1712-1730, DOI: 10.1080/00103624.2022.2063317

Prüter, J., Strauch, S. M., Wenzel, L., Klysubun, W., Palm, H.W., Leinweber, P. (2020) Organic matter composition and phosphorus speciation of soild waste from an African Catfish Recirculating Aquaculture System. Agriculture, 10, 466. DOI: 10.3390/agriculture10100466

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 20, 1676–1691. DOI: 10.1007/s11368-019-02518-w

Projektbericht

Laufzeit: 01.01.2020 - 31.12.2022

Doktorandin: Marisa Wirth (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Ziel des Teilprojektes I.3 war die Entwicklung von Messmethoden für die umweltrelevanten Organophosphor-Herbizide Glyphosat und Glufosinat, sowie für den Glyphosat-Metaboliten AMPA in Meerwasser. Zuvor waren die Zielanalyten aufgrund methodischer Schwierigkeiten in Gegenwart der Salzmatrix in der marinen Umwelt nicht nachweisbar. Durch den Einsatz geeigneter Festphasenextraktionsmaterialien konnten die Anreicherung der Analyten und die Abtrennung der Salzmatrix realisiert werden, was die Entwicklung und Validierung geeigneter Methoden für Meerwasser ermöglichte.

Publikationen aus dem Projekt

Wirth, M. A., Schulz-Bull, D. E., Kanwischer, M. (2021) The challenge of detecting the herbicide glyphosate and its metabolite AMPA in seawater – Method development and application in the Baltic Sea. Chemosphere 2021, 262, 128327, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.128327

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: 103719. DOI: 10.1016/j.marchem.2019.103719

Gros, P., Meissner, R., Wirth, M. A., Kanwischer, M., Rupp, H., Schulz-Bull, D. E., Leinweber, P. (2020) Leaching and degradation of 13C2-15N-glyphosate in field lysimeters. Environmental Monitoring and Assessment 192. Environmental
Monitoring and Assessment: 127. DOI: 10.1007/s10661-019-8045-4

Wirth, M. A., Longwitz, L., Kanwischer, M., Gros, P., Leinweber, P., Werner, T. (2021) AMPA-15N – Synthesis and application as standard compound in traceable degradation studies of glyphosate. Ecotoxicology and Environmental Safety 225:112768. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2021.112768

Projektbericht

Laufzeit: 01.07.2019 - 30.09.2022

Doktorand/Bearbeiter: Jonathan Schleyken / Felix Gumpert

Zusammenfassung
Das Projekt "P-Recycling in der Tierproduktion" war Bestandteil von Cluster II - Suffizienz und Effizienz der P-Nutzung, P-Rückgewinnung des Leibniz-WissenschaftsCampus Phosphorforschung Rostock. Mit dem Start im Juli 2019 und dem Ende im September 2022 wurde das Projekt etwas mehr als drei Jahre bearbeitet. Die Bearbeitung fand hauptsächlich an der Professur für Wasserwirtschaft der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock statt und wurde von der Professur für Aquakultur unterstützt.
Als Bearbeiter und Promovend wurde Herr Jonathan Schleyken eingestellt. Trotz guter fachlicher Fortschritte entschied sich Herr Schleyken Ende 2021, die Promotion abzubrechen, um eine für ihn attraktive Position bei einem Wirtschaftsunternehmen anzutreten. Wir beantragten deshalb beim Vorstand des WissenschaftsCampus die Fortsetzung der Arbeiten mit einem neuen Bearbeiter. Diesem Antrag wurde stattgegeben. Als neuer Bearbeiter wurde zum Januar 2022 Herr Felix Gumpert eingestellt. Aufgrund der kurzen verbleibenden Restlaufzeit von ca. 9 Monaten war für ihn das Ziel einer Promotion zu diesem Thema nicht erreichbar. Vielmehr verständigten wir uns darauf, die bereits vorliegenden experimentellen Ergebnisse und Stoffstromanalysen systematisch aufzuarbeiten und ein bis zwei gemeinschaftliche Veröffentlichungen beider Bearbeiter zu nutzen.
Ziel des Projektes war die Nutzbarmachung alternativer P-Quellen und einer damit verbundenen P-Rückgewinnungstechnologie aus den Abwässern und Schlämmen von Rezirkulierenden Aquakultursystemen (RAS). Die überschüssigen Nährstoffe sollten zurückgewonnen werden und im Anschluss in ein verdauliches und pflanzenverfügbares Calciumphosphat synthetisiert werden. In der gängigen Praxis wird lediglich ein Teil der zugeführten Nährstoffe (abhängig von Fütterungsstrategie, Fischgröße und der artspezifischen Nährstoffretention) für die Produktion der Organismen verwendet. Die überschüssigen Nährstoffe werden im weiteren Verlauf über regelmäßigen Wasseraustausch und/oder spezielle Filtereinheiten und Absetzbecken reduziert, um Grenzwerte für die Entsorgung des Prozesswasser einzuhalten und artgerechte Haltungsbedingungen für die produzierten Organismen zu gewährleisten.
Für die Nutzung der Reststoffe (Schlamm und Abwasser) gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist die Ausbringung des Schlamms auf landwirtschaftliche Flächen (Brod & Øgaard, 2021; Burducea et al., 2022). Dies erfordert eine entsprechende landwirtschaftliche Nachfrage in der Nähe. Ähnlich wie bei Klärschlamm besteht in Abhängigkeit von Haltungsbedingungen und Fütterungsregime allerdings die Gefahr, dass Schwermetalle und pharmazeutische Stoffe direkt in die Umwelt gelangen. (Kirchmann et al., 2016; Zuloaga et al., 2012). Eine andere Möglichkeit bietet die Aquaponik. Hier können die Restnährstoffe des Abwassers für den Anbau von meist gartenbaulichen Pflanzen genutzt werden (Palm et al., 2018).
Wenn eine direkte stoffliche Nutzung nicht möglich ist, ist die chemische Rückgewinnung von P eine weitere Option. Für den Bereich kommunaler Klärschlämme wurden in den letzten Jahren zahlreiche chemische sowie einige thermische Verfahren zur Rückgewinnung eines P-reichen Rückstands aus organischen Materialien entwickelt. Basierend auf Vorversuchen wurde für die Bearbeitung dieses Projektes das Hauptaugenmerk auf eine Mobilisierung der vorwiegend partikulär gebundenen P-Fraktionen mit anschließender Fällung des gelösten P gelegt.
Ähnliche Verfahren in der Abwassertechnik sind das Gifhorner- (auch bekannt als Seaborne-Verfahren), das Stuttgarter- und das Extraphos-Verfahren (Ohtake & Tsuneda, 2019). Jedoch ist die Stoffmatrix von Aquakulturschlämmen deutlich abweichend zu anaerob stabilisierten Klärschlämmen. Die Übertragung und Weiterentwicklung bekannter Verfahren auf die Abwässer und Schlämme aus Aquakulturanlagen war ein zentraler Bestandteil des Projektes.
Eine parallel zu bearbeitende Fragestellung war die Ermittlung der P-Flüsse in landbasierten rezirkulierenden Aquakultursystemen, um das labortechnisch ermittelte Rückgewinnungspotential in das Gesamtsystem einordnen zu können.

Publikation aus dem Projekt

Schleyken, J., Gumpert, F., Tränckner, S., Palm, H., Tränckner, J. (2024) Enhanced chemical recovery of phosphorus from residues of recirculating aquaculture systems (RAS). Int. J. Environ. Sci. Technol. 21, 3775–3788, DOI: 10.1007/s13762-023-05226-8

Projektbericht

Laufzeit: 01.11.2019 – 31.12.2022

Doktorand: Mohammad Mahdi Seyedalmoosavi (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Phosphorus (P) is essential in broiler diets. However, P utilization in animal farming or agriculture practices is not efficient. Although not currently legally permitted, mineral recycling could, in principle, reintegrate P from sewage sludge into animal diets to better close the nutrient cycle. Supplementing black soldier fly larvae (BSFL; Hermetia illucens) with recycled minerals could be a solution to recover essential minerals while reducing heavy metal contaminations from recyclates. We hypothesized that feeding broilers with recycled mineral-enriched BSFL beneficially affects P intake with no adverse effects on growth performance and heavy metal intake.

First experiment: The first experiment was conducted to determine the optimum level of whole BSFL to be given to broilers. Our results show that chickens can consume whole defrosted black soldier fly larvae (BSFL; Hermetia illucens) up to 30% of their voluntary FI in a few minutes. Larvae eating time and eating rates of broilers suggest a strong preference for BSFL over regular grain-based feed. Defrosted whole BSFL can be included in broiler rations up to 20% without adverse effects on growth performance and nutrient conversion efficiency, metabolism, slaughter weight and carcass traits, as well as fatty acid (FA) profile in plasma, muscle and fat tissues. However, 30% whole BSFL were associated with lower protein utilization efficiency and caused alterations in the FA compositions of plasma, breast and abdominal fat resulting in an increased saturated FA (SFA) content at the expense of monounsaturated fatty acid (MUFA) and polyunsaturated fatty acid (PUFA).

Second experiment: This study was performed to evaluate the accumulation potential of recycled minerals derived from two types of sewage sludge recyclates (Biochar (BCH) and Single Super Phosphate (SSP)) in BSFL. Our results suggested that the concentrations of the minerals found in the larvae confirm that the micronutrient profile of BSFL depends on the mineral concentrations in the feeding substrate. Both BCH and SSP supplements increased calcium (Ca) content in BSFL, whereas only SSP increased P content. Inclusion of SSP was associated with lower heavy metal content in larvae which reflects the lower concentrations of heavy metals in SSP due to the heavy metal reduction technology used and suggest an advantage of SSP over BCH recyclate. The SSP recyclate caused lower accumulation of heavy metals compared to BCH in BSFL. Recycled mineral-enriched larvae exceed the current EU regulations for manganese (Mn) and cadmium (Cd) content. Because of toxicity of excessive Mn and Cd in feed or food, thresholds for its incorporation level in animal diets or certain foodstuffs might be necessary in future depending on the BSFL processing technology or feeding source.

Projektbericht

Laufzeit: 01.11.2019 - 31.01.2023

Doktorand: Yue Hu

Zusammenfassung
Although legumes have a relatively high Phosphorus (P) requirement, the P supply had only small effects on alfalfa (Medicago sativa L.) and red clover (Trifolium pratense L.) yields in our study, indicating high soil P replenishment as well as high active P mobilisation by the legumes. The positive agronomic effects of organic fertilisers, especially biowaste compost, were related to their long-term effect on soil quality rather than to P supply. Struvite as P recycling product showed equivalent and even higher P efficiency than triple superphosphate (TSP). The interspecific differences between alfalfa and red clover were relatively small and the intraspecific effects were marginal. Thus, accession selection appears to be of little importance with respect to P utilisation in alfalfa and red clover cultivation, as long as the accessions used are adapted to the respective environmental conditions.

Publikationen aus dem Projekt

Hu, Y., Jarosch, K. A., Kavka, M., Eichler-Löbermann, B. (2022) Fate of P from organic and inorganic fertilizers assessed by complementary approaches. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 124(2), 189–209. DOI: 10.1007/s10705-022-10237-x

Hu, Y., Dehmer, K. J., Willner, E., Bachmann-Pfabe, S., Eichler-Löbermann, B. (2021) Phosphorus utilisation capacity of forage legumes from recycling products. Exploiting Genetic Diversity of Forages to Fulfil Their Economic and Environmental Roles: Proceedings of the 2021 Meeting of the Fodder Crops and Amenity Grasses Section of EUCARPIA, 37–40. DOI: 10.5507/vup.21.24459677.09

Hu, Y., Dehmer, K. J., Willner, E., Eichler-Löbermann, B. (2023) Specific and Intraspecific P Efficiency of Small-Grain Legumes as Affected by Long-Term P Management. Agronomy, 13(3), 900. DOI: 10.3390/agronomy13030900

Projektbericht

Laufzeit: 01.10.2020 - 30.11.2023

Doktorand/Bearbeiter: Jan-Erik Siewert (Dissertation abgeschlossen), Dr. Fabian Dankert, Dr. Henrik Beer

Laufzeit: 01.02.2020 - 30.04.2023

Doktorandin: Constanza Terazzi (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Phosphines proved to be efficient ligands for the CaI₂-catalyzed synthesis of cyclic carbonates from epoxides and CO₂. Ph₃P was also used as co-catalyst for the conversion of internal and bio-based carbonates. Thus, the dual role of phosphines as catalysts was demonstrated: they act as ligands for CaI₂ allowing the activation of the epoxide and they also activate the CO₂ molecule improving its reactivity. Moreover, the hydrolytic kinetic resolution of cyclic carbonates with Pig Liver Esterase was studied with the aim of performing the synthesis of cyclic carbonates catalyzed by a P-based catalyst followed by the enzymatic kinetic resolution to afford the chiral carbonate. Even though the tandem reaction was not successful, further analysis and perspectives on this reaction were presented. As a result, Novozym^® 435 in combination with phosphonium salts is a promising alternative for the asymmetric synthesis of cyclic carbonates.

Publikation aus dem Projekt

Terazzi, C., Laatz, K., von Langermann, J., Werner, T. (2022) Synthesis of Cyclic Carbonates Catalyzed by CaI2–Et3N and Studies on Their Biocatalytic Kinetic Resolution, ACS Sustain. Chem. Eng. 2022, 10, 13335–13342. DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c03210

Projektbericht

Laufzeit: 01.01.2020 - 31.12.2022

Doktorand: Jan Tönjes (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Primary aim of this work was the development of a new method for the catalytic Base-Free Wittig reaction in green solvents using the environmentally benign terminal reductant polymethylhydrosiloxane (PMHS), which is a byproduct of the silicone industry. Using this method compounds in the field of P(III)/P(V) redox cycling catalysis, a library of exocyclic maleimides was synthesized. Since endocyclic maleimides showed interesting biological activity towards acute lymphoblastic leukemia and lymphoma cells, exocyclic maleimides were thought to be an interesting target for further research. A subset of these maleimides was analyzed at the Rostock University Medical Center towards their activity on multiple cancer cell lines, as well as their activity towards bacterial strains, but showed no significant activity. Additionally, new catalytic methods for the synthesis of biologically active compounds were developed. In the catalytic Appel reaction alcohols and epoxides could be converted to the respective chlorides or dichlorides using low catalyst loading and small amounts of chlorination agent. Also, a method for the organocatalytic synthesis of an underrepresented field of trisubstituted furans was developed.

Laufzeit: 01.06.2019 - 30.09.2022

Doktorandin: Sandra Kammann

Zusammenfassung
The project results pointed to a conspicuous shift of the phototrophic biocrust community with the development of the dunes along each chronosequence, as reflected in different successional stages. Furthermore, the different geographical regions revealed a considerable impact on the biocrust species composition, which can be explained by habitat-specific factors. The enrichment of organic matter and nutrient contents, along with increased soil moisture and stability, are the key functions that originate from the metabolic activities in the different stages of biocrusts. The increase in total P in the biocrusts along both chronosequences could mainly be explained by the increased biomass formation. Consequently, biocrusts strongly shape dune development and contribute to geomorphological processes. In addition, the biocrust key functions offer opportunities for rehabilitation and restoration approaches, such as preventing sediment erosion in coastal dune areas.

Publikation aus dem Projekt

Kammann, S., Schiefelbein, U., Dolnik, C., Mikhailyuk, T., Demchenko, E., Karsten, U., Glaser, K. (2022) Successional Development of the Phototrophic Community in Biological Soil Crusts on Coastal and Inland Dunes. Biology 2023, 12(1):58. DOI: 10.3390/biology12010058

Projektbericht

Laufzeit: 01.05.2020 - 31.07.2023

Doktorand: Julian Kirchgesser

Zusammenfassung
Ziel des Vorhabens war es, die phäno- und genotypische Vielfalt eines Kartoffeldiversitätsset in Zusammenhang mit Phosphoraufnahmeeffizienz zu untersuchen, wodurch Sorten zur Selektion P-effizienter Stärkekartoffelsorten identifiziert werden sollten. Dazu wurden je zwei Rhizotronversuche zur Untersuchung der Wurzelsystemarchitektur, zwei Topfversuche zur Erfassung verschiedener Parameter und Materialentnahme, und ein Feldversuch mit sechs verschiedenen Düngestufen sowie genomweite Assoziationsstudien (GWAS) durchgeführt. Es konnte eine große genotypische Diversität an Wurzelsystemparametern sowie signifikante genotypische Unterschiede in Bezug auf P-Aufnahme und Phosphataseaktivität festgestellt werden. Außerdem wirkte sich P-Mangel negativ auf die Spross- und Wurzelbiomasse sowie die Wurzellänge, jedoch positiv auf die Phosphataseaktivität aus. Die genomweiten Assoziationsstudien zeigten nur für ein Merkmal (Major Ellipse Axis) potenziell interessante Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs). Unter Phosphormangel tendierte ein Großteil der Genotypen zu einem eher mittelgroßen Wurzelsystem, was als Kompromiss zwischen dem metabolischen Aufwand und den Vorteilen eines größeren Wurzelsystems interpretiert werden kann. Die Heritabilität war für Merkmale wie Netzwerktiefe/länge und Spross/Wurzeltrockenmasse auf einem hohen Niveau, so dass viele Unterschiede in der Ausprägung des Wurzelsystems genetisch erklärt werden können. Die hohe genetische Diversität des untersuchten Kartoffelsortiments kann hierfür ebenfalls ein Hinweis sein. Im Kontrast zu den unter Gewächshausbedingungen durchgeführten Versuchen konnten auf dem Feld trotz mehrjähriger schlagspezifischer Düngung kaum signifikante Unterschiede sowohl zwischen den Genotypen als auch den P-Düngungsstufen gefunden werden.

Laufzeit: 01.10.2019 - 31.03.2023

Doktorand: Mariano Santoro

Zusammenfassung
The massive occurrence of toxic cyanobacteria in the Baltic Sea during summer has increased in size and frequency in the last two decades (Kahru et al., 1994). Seasonal stratification of the Baltic Sea determined by thermocline formation, reduced wind intensity and low water mixing, constitute a favourable environmental setting for the reproduction of these microorganisms. In this dissertation, a multi-level study was performed to assess the role of nutrient limitation (Phosphorus - P and Nitrogen - N) in the Baltic Sea as potential trigger of bloom development. The study at the single strain level allowed us to identify a “P-limitation stimulon” in an ecotype of the dominant toxic cyanobacterial genus Nodularia spp. isolated from the Baltic Sea (Nodularia spumigena CCY9414), indicating the ability of this strain to overcome severe P limitation conditions in a brackish system and to efficiently propagate during summer season (Santoro et al., 2023). In the study at the mesocosm level, we could observe a faster response of small unicellular picocyanobacteria in comparison to the bloom-forming heterocystous cyanobacteria to natural perturbation events (storms) within a semi-controlled environment, where inorganic nutrients amendments were performed to simulate the decreasing N:P ratio condition taking place at the start of summer in the Baltic Sea (in prep.).
The dissertation shows that the combination of different approaches is a valuable way to integrate the basic knowledge of the eco-physiological adaptations and implications of different lifestyles of bloom-forming cyanobacteria in the Baltic Sea during summer season tiggered by limited nutrient availability.

Laufzeit: 13.08.2020 - 30.11.2023

Doktorandin: Linda Adzigbli (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
This project explored mitochondrial and molecular mechanisms regulating oxidative phosphorylation and oxidative stress during hypoxia-reoxygenation stress in marine bivalves (oysters, scallops) and mammals. Mitochondria from various tissues and animals are different in terms of sensitivity hence this project investigated tissues with differing sensitivities to H/R (brain and muscle in pigs, gills, and digestive gland in bivalves) and hypoxia tolerant animals (oysters) and hypoxia sensitive animals (pigs and scallops). Additionally, due to the variations in coastal hypoxic episodes (lasting from several hours (during diurnal cycles of photosynthesis and respiration) to days and weeks in coastal dead zones (Vaquer-Sunyer and Duarte, 2008)), mitochondrial responses in marine bivalves were investigated under differing hypoxic periods (acute and chronic hypoxia). These results will help to evaluate and propose a benchmark between mammals and bivalves with respect to mitochondrial mechanisms regulated during H/R stress and further understand mechanisms regulating hypoxia tolerance and sensitivities.

Projektbericht

Laufzeit: 02.11.2020 - 30.11.2023

Doktorand: Maruf Hasan (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Calcium (Ca) and phosphorus (P) homeostasis in pigs are intricately regulated by key factors, including vitamin D and fibroblast growth factor 23 (FGF23). In this research (1st study), the cross‐tissue expression of genes involved in vitamin D metabolism and FGF23 signaling in pigs fed conventional and divergent P diets was investigated. The results emphasized the non‐renal synthesis of vitamin D in the body. Low P diets increased serum calcitriol and CYP24A1 expression in the small intestine, suggesting vitamin D signal suppression, while high P increased CYP27B1 expression in bone, indicating active vitamin D production. Upregulation of FGFR4 and KL in bone following high P diets suggested the body's efforts to balance mineralization, highlighting the importance of optimal P supply in pig nutrition.
Dietary cholecalciferol is the primary source of vitamin D in pigs. This research (2nd study) explored the potential benefits of endogenous vitamin D production through daily UVB exposure in growing pigs. UVB exposure elevated serum calcidiol and increased hepatic expression of CYP2R1, indicating an elevated vitamin D status. The overall outcomes suggested that UVB exposure could complement dietary vitamin D supply in pig husbandry, offering opportunities for functional food development and improved animal welfare.
Vitamin D3 and its storage form, 25(OH)D3, have diverse effects in pigs. A comprehensive literature review (3rd study) comparing the impact of vitamin D3 and 25(OH)D3 on pig physiology revealed nuanced differences. Maternal intake of 25(OH)D3 positively influenced piglet growth, immune markers, and bone mineralization, surpassing the effects of vitamin D3. These findings emphasize the importance of selecting the appropriate form of vitamin D for optimal utilization efficiency, nutritional benefits, and therapeutic potency.
In summary, the dissertation provides valuable insights into the intricate relationship between minerals, vitamin D, and gene expression in pigs, offering practical implications for optimizing farming practices, improving animal health, and addressing nutritional challenges in both animal and human populations. The findings contribute to the evolving landscape of sustainable agriculture and animal husbandry practices.

Publikationen aus dem Projekt

Hasan, M., Oster, M., Reyer, H., Ponsuksili, S., Murani, E., Wolf, P., Fischer D‐C., Wimmers, K. (2022) Tissue‐wide expression of genes related to vitamin D metabolism and FGF23 signaling following variable phosphorus intake in pigs. Metabolites, 12(8), 729. DOI: 10.3390/metabo12080729

Hasan M., Reyer H., Oster M., Trakooljul N., Ponsuksilli S., Magowan E., Fischer D‐C., Wimmers K. (2024) Exposure to artificial ultraviolet‐B light mediates alterations on the hepatic transcriptome and vitamin D metabolism in pigs. The Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology, 236,106428. DOI: 10.1016/j.jsbmb.2023.106428

Hasan, M., Oster, M., Reyer, H., Wimmers, K., Fischer, D. C. (2023). Efficacy of dietary vitamin D 3 and 25(OH)D 3 on reproductive capacities, growth performance, immunity and bone development in pigs. British Journal of Nutrition, 130, 1298‐1307. DOI: 10.1017/S0007114523000442

Projektbericht

Laufzeit: 01.07.2019 - 30.09.2022

Doktorandin: Katharine Heyl (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
The project ‘Governance options for closed P cycles - the CAP 2020 revision’ was situated in Cluster V P-Governance of the Leibniz ScienceCampus Phosphorus Research Rostock. Having started in July 2019, the project covered a little more than three years and came to an end in September 2022. The project was based on a cooperation between the P-Campus, the Faculty of Agricultural and Environmental Sciences of the University of Rostock and the Research Unit Sustainability and Climate Policy in Leipzig. It built on research findings of earlier work on policy instruments for a sustainable transition in general and sustainable P management in particular including the P-Campus Graduate Academy, InnoSoilPhos, Bioacid and two scholarships (DBU and HBS).
The project aimed to assess the role of subsidies in transitioning to sustainability in general and closing P cycles in particular by investigating the subsidies of the reformed Common Agricultural Policy (CAP). To this end, analyses at the EU level and the national level (Germany) were undertaken. Accompanying the analyses on the subsidies of the CAP, other P relevant topics such as governance options to address food waste and to extend organic farming, and other subsidy relevant topics such as agricultural trade agreements were addressed as well. The findings of the project were published in several peer-reviewed articles some of which will be submitted as cumulative dissertation in early 2023.

Publikationen aus dem Projekt (nur Erstautorenschaft)

Heyl, K., Döring, T., Garske, B., Stubenrauch, J., Ekardt, F. (2020) The Common Agricultural Policy beyond 2020: A critical review in light of global environmental goals. Review of European, Comparative & International Law 30, 95-106. DOI: 10.1111/reel.12351

Heyl, K., Ekardt, F., Roos, P., Stubenrauch, J., Garske, B. (2021) Free Trade, Environment, Agriculture, and Plurilateral Treaties: The Ambivalent Example of Mercosur, CETA, and the EU–Vietnam Free Trade Agreement. Sustainability 13, 3153. DOI: 10.3390/su13063153

Heyl, K., Ekardt, F. (2022) Barriers and methodology in transitioning to sustainability: Analysing web news comments concerning animal-based diets. Journal of Cleaner Production 330, 129857. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.129857

Heyl, K., Ekardt, F., Sund, L., Roos, P. (2022) Potentials and limitations of subsidies in sustainability governance: the example of agriculture, Sustainability 2022, 14(23), 15859. DOI: 10.3390/su142315859

Heyl, K., Ekardt, F., Roos, P., Garske, B. (2022) Digitalisierte Präzisionsdüngung und EU-Agrarsubventionen im deutschen Recht: Ökologisch effektive Umsetzung von Farm-to-Fork-Strategie und Umweltvölkerrecht? Natur und Recht 44, 837–846. DOI: 10.1007/s10357-022-4114-5

Heyl, K., Ekardt, F., Roos, P., Garkse, B. (2023) Achieving the nutrient reduction objective of the Farm to Fork Strategy through the CAP? An assessment of CAP subsidies for digital precise fertilization and sustainable agricultural practices in
Germany. Frontiers in Sustainable Food Systems 7:1088640. DOI: 10.3389/fsufs.2023.1088640

Projektbericht

Laufzeit: 01.05.2015 - 31.10.2018

Doktorandin: Anika Zacher (Dissertation abgeschlossen)

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.

Projektbericht

Laufzeit: 15.05.2015 - 14.05.2018

Doktorandin: Katrin Wacker (Projekt abgeschlossen)

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.

Projektbericht

Laufzeit: 01.04.2015 – 30.06.2018

Doktorandin: Iris Schaub (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Phosphatasen (P_asen) sind Schlüsselenzyme in der aquatischen Umwelt, mit denen Mikroalgen und Bakterien den gelösten organischen Phosphor (DOP) Pool nutzbar machen. Reguliert wird die P_ase-Produktion durch die externe Phosphatkonzentration (P_i). In der vorliegenden Doktorarbeit sollte die Rolle der Phosphataseaktivität (PA) in aquatischen und terrestrischen Habitaten untersucht und derer Indikatorfunktion als Phosphor (P) Limitationsparameter bewertet werden. Zum ersten Mal wurde die Michaeliskonstante (K_M) als potenzieller Indikatorwert betrachtet und die Rolle der Phosphataseaktivität in biologischen Bodenkrusten (BSC) einer Küstendüne untersucht.
Da die P_asen von unterschiedlichen Organismen produziert und über vielfältige Mechanismen in das wässrige Milieu gelangen, war die Bestimmung des Ursprungs der PA und die Suche nach einem Referenzparameter, um die PA unterschiedlicher Gewässer zu normieren und vergleichen zu können, nur teilweise erfolgreich. Von den getesteten Referenzparameter erwies sich nur das partikuläre organische Material (POM) als geeignet. Die Ergebnisse zeigten, dass der K_M kein geeigneter Parameter für die Bewertung einer P Limitation ist. Vergleiche zwischen der PA und anderen P Limitationsparametern ergaben ebenfalls keine einheitlichen Abhängigkeiten. Von der Nutzung der PA als alleiniger Parameter zur Bestimmung einer möglichen P Limitation muss damit abgeraten werden. Die PA war in der untersuchten BSC sehr gering, da das Wachstum der Mikroalgengemeinschaft Wasser- und dann Stickstofflimitiert war. Generell konnten in der BSC, im Vergleich zum ansonsten sehr nährstoffarmen Dünensand, eine Nährstoffakkumulation festgestellt werden. Die Verteilung von verschiedenen Sukzessionstadien der BSC hing zudem von der Exposition zum Windstress ab.

Projektbericht

Laufzeit: 01.06.2015 - 31.08.2018

Doktorand: Sebastian Strauch (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
The production of African catfish (Clarias gariepinus) is becoming increasingly important in Germany, where it is produced exclusively in recirculating aquaculture systems (RAS). Due to the natural accumulation of plant-relevant nutrients in the process water of such RAS and a high tolerance of the African catfish towards reduced water quality, this combination offers a high potential for an economical aquaponic application in Germany. As a part of this dissertation, the term aquaponics was newly defined. Subsequently, the properties of the rearing water of African catfish RAS for subsequent use in commercial aquaponics were assessed under different production intensities – extensive, semi-intensive and intensive. Finally, the ability of the African catfish to cope with elevated levels of ortho-phosphate (ortho-P) originating from specific fertilizers to increase plant growth in hydroponics was assessed.

This dissertation demonstrates that under commercial conditions, African catfish RAS can be used to supply plant production sufficiently with nutrients, to comply with the definition of aquaponics in the sense of Palm et al. (2018a). Due to suboptimal nutrient concentrations, relatively low fish production and high labor costs, the semi-intensive production cannot be recommended due to a negative total cost benefit balance. Extensive and intensive production is possible and can be adjusted with different aquaculture species to meet the local market demand. Nutrient supplementation (i.e. ortho-P) can be performed up to levels that favor optimal growth of plants.

Projektbericht

Laufzeit: 15.08.2016 - 30.06.2019

Doktorand: Christian Gerlinger (Projekt abgeschlossen)

Zusammenfassung
Phosphorus (P) is an important element of various metabolic and signalling processes, including bone metabolism and immune function. Sufficient supply of pigs with calcium (Ca) and phosphorus (P) is essential for animal health and welfare during the growth period but frequently exceeds age specific requirements in practice. However, the P content in animal manure is considered as a cause of massive environmental problems in soil and aquatic ecosystems. The objective of this study is the investigation of effects of a reduced and increased dietary P supplementation in combination with constant or variable Ca levels on bone mineralization and bone structure compared to the current dietary recommendation. Further, possible serum markers that would allow the assessment of adequacy of P supply for bone health during growth should be found. To elucidate the routes of P homeostasis and utilization, a five-week feeding study was conducted with weaned piglets receiving a diet with recommended amounts of P and Ca (M), or a diet with lower (L) or higher (H) P values and a constant Ca:P-ratio. Furthermore the effect of a variation in dietary P and Ca was compared to a variable Ca:P-ratio with constant dietary Ca levels. Dietary responses were deduced via performance parameters, bone characteristics (MicroCT), genome-wide transcriptomic profiles of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and molecular data retrieved from serum, intestinal mucosa, and kidney cortex.
Animals of the L group showed attempts to maintain mineral homoeostasis via intrinsic mechanisms, whereas the high-fed animals adapted at the expense of growth and development. MicroCT revealed significantly lower bone mineral density, trabecular number, and mechanical fracture load in (L). Gene expression analyses showed transcripts of 276 and 115 annotated genes with higher or lower abundance in the (H) than (L) that were related to basic cellular and metabolic processes as well as response to stimuli, developmental processes and immune system processes. Transcripts associated with vitamin D hydroxylation (Cyp24A1, Cyp27A1, Cyp27B1) were regulated by diet at local tissue sites.
The result validated that the recommended Ca and P supply is sufficient, without the addition of microbial phytases. However, addition of P has no further beneficial effects on bone stability, while P supplementation below the recommended level affects bone development and growth performance.
This study shows the many molecular routes involved in P homeostasis that should be considered to improve endogenous mechanisms of P utilization. Further fine-tuning of the P supply in conjunction with an appropriate Ca supply will contribute to a reduction in P losses along the agricultural value chain and associated environmental impact while maintaining animal health and welfare.

Projektbericht

Laufzeit: 15.05.2015 - 30.06.2019

Doktorandin: Sandra Jahn (Projekt abgeschlossen)

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

Laufzeit: 01.05.2015 - 30.06.2019

Doktorand: Sina Jahanbakhsh (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
The aim of the project was the investigation of atmospheric pressure plasma discharges for utilization of bone char as fertilizer in agriculture.
Bone char is a promising candidate that involves the element phosphor. The treatment of bone char could convert the surface characteristics to improved phosphor uptake by plants and enhance the adsorption capability for additional loading with nutrients. Plasma technology is known as an innovative method for surface and material processing but so far no attempts on the modification of bone char has been made.
Barrier corona (BC) arrangements are employed in different plasma-based applications such as material surface and exhaust gas treatments. Due to the geometry and material of the arrangement, the discharge behaviour depends significantly on the two polarities of the applied sinusoidal voltage. The investigation of this behaviour was an important issue of the project. For the voltage amplitude being applied, mostly two micro discharges (MD) appear in the anodic pin half-cycles. It is observed that the breakdown mechanism in both MDs is a positive streamer starting near the anode, similar to the single MDs in symmetric dielectric barrier discharges (DBDs). However, the second MDs have different properties, such as longer duration of the bulk plasma and broader current pulses. It is considered that the differences are mainly due to the positive surface charges deposited by the first MDs on the dielectric. It is proposed, for the first time, that the current pulse derivative maximum corresponds to the arrival of the streamer head at the cathode surface. This is used to synchronize the spatio-temporal development of the MDs with their current pulses. The accuracy of the synchronization is limited to the rise-time of the current probe (350 ps). In each cathodic pin half-cycle, only one major MD appears. The appearance and amplitude of the MDs are more erratic compared to the anodic pin polarity. The TC-SPC recordings show that the MDs appearing at low applied voltages have a similar spatio-temporal development to the MDs of the anodic pin polarity. On the other hand, at high applied voltages a development similar to transient sparks, i.e. a double-streamer starting near the tip of the pin (cathode), is observed. The statistical study shows that in DBD-like MDs the current pulse amplitude is not dependent on the appearance phase (or applied voltage), but this is not the case for the transient sparks.

Projektbericht

Laufzeit: 01.05.2015 - 30.04.2018

Doktorand: Tobias Täufer (Projekt abgeschlossen)

Zusammenfassung
Die zu Beginn der Promotion von Herrn Täufer gesteckten Ziele der Generierung neuartiger, P,N-haltiger Ringsysteme ausgehend von Cyclisierungsreaktionen geeigneter Alkene, Diene und Alkine mit in situ-generierten ungesättigten P-N-Bausteinen führte leider zu keinem allgemeinen Syntheseprotokoll für die Herstellung solcher Verbindungen, obwohl eine Vielzahl von Reaktionen mit unterschiedlichen Reagenzien durchgeführt wurden. Die Umsetzungen liefen entweder gar nicht ab oder führten ansonsten in der Regel zu einer Reihe von Nebenprodukten. Ein Grund dafür waren vermutlich die Reaktionsbedingungen zur Erzeugung der P-N-Spezies, für die starke Lewis-Säuren notwendig sind. Daraus ergibt sich leider, dass die beabsichtigten selektiven Umsetzungen, die nach Wissen und Erfahrung der beteiligten Arbeitsgruppen erwartbar waren, leider nicht realisiert werden konnten. Möglicherweise kann dies nach Entwicklung eines neuen Zugangs bzw. anderer Reaktionsbedingungen für die Erzeugung der P-N-Spezies und der anschließenden Cyclisierungsreaktion realisiert werden.
Erwähnenswert sind allerdings einige Resultate und Nebenprojekte im Rahmen des Gesmatprojektes. So konnten beispielsweise mit Isopren eine Spezies der Summenformel [PN(Isopren)]₄ isoliert und charakterisiert werden. Im Rahmen der Synthese von neuen Indenyl-Cobalt-Komplexen konnte ein neuer chiraler Bisphosphit-Komplex synthetisiert und in katalytischen Reaktionen getestet werden.

Laufzeit: 01.01.2015 - 31.12.2018

Doktorand: Johannes Steinbauer (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
In this project new catalyst systems for the conversion of CO₂ with epoxides to the corresponding cyclic carbonates were developed. In this context bifunctional phosphonium salts were initially used as one‐component catalysts as well as the new catalyst systems based on earth abundant metals. In this regard, bifunctional one‐component catalysts combine a nucleophilc and an electrophilic function for an effective activation of the epoxides. Two different homogeneous bifunctional phosphonium salt catalysts were developed, which were used on one hand for the conversion of fossil resources derived epoxides and on the other hand for the conversion of internal bio‐based epoxides. Moreover a heterogeneous bifunctional phosphoniumsalt catalyst was synthesized and evaluated, which showed high activities under relatively mild conditions. Additionally, this catalyst was reused up to 15 times and the deactivation of the catalyst was thoroughly investigated. In addition, a binary catalyst system based on a monofunctional nucleophilic phosphoniumsalt and an electrophilic iron salt co‐catalyst for the conversion of biobased epoxides was developed. Furthermore, three different catalyst systems based on CaI₂ in combination with different halides and/or co‐catalysts were reported. These catalysts were used for the synthesis of terminal as well as internal carbonates under very mild reaction conditions and investigations regarding the reaction mechanisms were conducted. All in all in this thesis seven different catalyst systems were extensively evaluated and described. For all the described catalyst systems the reaction conditions for the synthesis of cyclic carbonates have been systematically optimized and a broad variety of cyclic carbonates were synthesized and isolated in excellent yields. This work was accompanied by detailed mechanistic investigations. Furthermore a flow system was assembled and initial test reactions using the developed immobilized catalyst were performed. However, the conversion of (bio‐based)epoxides with CO₂ under the chosen flow conditions proofed to be difficult.

Projektbericht

Laufzeit: 01.04.2015 – 28.02.2018

Doktorandin: Jessica Stubenrauch (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Die Dissertation zur rechtsvergleichenden P-Governance widmet sich einem Querschnittsthema der humanwissenschaftlichen Nachhaltigkeitsforschung. Politisch-rechtliche Regelungsansätze unterschiedlicher Länder (Deutschland, Costa Rica und Nicaragua) werden hinsichtlich deren Steuerungswirkung bezüglich der P-Ressourcenschonung und dem Schutz der hiermit verknüpften Umweltmedien analysiert und auf mögliche Optimierungsoptionen hin befragt. Als Ausgangspunkt kommen neben naturwissenschaftlichen und naturräumlichen Befunden auch ethische und rechtliche Fragen nach den anzustrebenden Zielen in den Blick, ohne jedoch im Mittelpunkt der Arbeit zu stehen. Die Analyse möglicher politisch-rechtlicher Ansatzpunkte ergab, dass es aller Voraussicht nach nur durch eine Kombination von Effizienz-, Konsistenz- und Suffizienzstrategien ermöglicht wird, P zukünftig effizient im Kreislauf zu führen und gleichzeitig bestehende Wasser- und Bodenschutzziele sowie international verbindlich festgelegte Klima- und Biodiversitätsziele zu erreichen. Auf diese Art kann auch ein Beitrag zur Ernährungssicherung durch den dauerhaften Erhalt der natürlichen Lebensgrundlagen geleistet werden. Effizienzansätze beziehen sich in der P-Governance im Wesentlichen auf eine an den Standort und die jeweilige Kultur angepasste, präzise P-Düngung, betreffen jedoch auch die Verminderung der weltweiten Nahrungsmittelverluste. Konsistenz kann zum Beispiel durch eine Förderung des P-Recyclings und der Wiedergewinnung von P aus Abfallströmen umgesetzt werden oder auch durch eine vornehmlich organische- sowie Gründüngung erzielt werden. Eine wichtige Suffizienzmaßnahme im Bereich der P-Governance ist die Minderung des Konsums tierischer Nahrungsmittel insbesondere in den Industrieländern und den Oberschichten der Schwellen- und Entwicklungsländer. Denn die intensive Tierhaltung geht häufig mit einer – räumlich weit von der Tierhaltung entfernten – monokulturellen Futtermittelproduktion einher, welche regelmäßig mit einer hohen Nachfrage nach mineralischen P-Düngemitteln verknüpft ist. Andererseits entstehen PNährstoff-Hotspots aufgrund der Überschüsse an organischen Düngemitteln (überwiegend Gülleüberschüsse) am Ort der Intensivtierhaltung. Ein Schließen der P-Kreisläufe wird hierdurch verhindert. Bestenfalls sollten Futtermittel daher durch eine in den Pflanzenbau integrierte Tierhaltung in gemischten landwirtschaftlichen Betrieben im Rahmen einer an den Standort angepassten, wechselnden Fruchtfolge angebaut werden. Neben einem insgesamt besseren Systemverständnis von P sind mithin auch strukturelle Änderungen in den einzelnen Landwirtschaftssektoren unumgänglich, um P-Kreisläufe zukünftig schließen zu können. Vor allem Suffizienzstrategien als ein unverzichtbarer Teil der P-Governance sind dabei in allen drei Beispielstaaten bisher jedoch noch nicht rechtlich verankert und werden durch die europäischen Rechtsetzung nicht angeregt.

Die Förderung des P-Recyclings aus Abwasserströmen als ein möglicher Beitrag zur Konsistenz wird durch die novellierte Klärschlammverordnung in Deutschland zukünftig rechtlich vorgeschrieben, während eine entsprechende rechtliche Regulierung großtechnischer Maßnahmen zum P-Recycling – insbesondere auch aufgrund der diesbezüglich fehlenden Infrastruktur – in Nicaragua und Costa Rica noch nicht vorgesehen ist. Durch das Düngemittelrecht werden bisher alternative und rezyklierte P-Dünger jeweils nicht explizit hinsichtlich deren Marktzugang gefördert – insbesondere aufgrund einer fehlenden bzw. nur wenig ambitionierten Grenzwertsetzung für Schwermetalle wie Uran (U) oder Cadmium (Cd) in mineralischen Düngemitteln. Besonders innovative, rezyklierte P-Düngemittel aus Abfallströmen wie Struvit oder Biochar sind dabei regelmäßig noch gar nicht von dem geltenden Düngemittelrecht umfasst. Insofern ist eine zeitnahe Anpassung des Rechts notwendig.

Regelungen zu einer effizienten und standortangepassten P-Düngung werden durch die gute fachliche Praxis in der Landwirtschaft vorgegeben. Trotz der Novellierung der Düngeverordnung in Deutschland im Jahr 2017 verbleibt die gute fachliche Praxis in der Landwirtschaft auch in Deutschland rechtlich unbestimmt und hegt die landwirtschaftliche P-Düngung nur unzureichend rechtlich ein. In Costa Rica und Nicaragua bestehen bereits dem Grunde nach nur freiwillige Vorgaben zur guten fachlichen Praxis. Auch die im Hinblick auf die Schließung der P-Nährstoffkreisläufe positiv wirkenden ökologischen und agrarökologischen Landwirtschaftspraktiken werden in allen drei Ländern nur unzureichend gefördert. Die Gemeinsame Europäische Agrarförderung (GAP) stellt darüber hinaus nicht ausreichend auf die Zukunftsherausforderungen im Landwirtschaftssektor ab, welche auch mit dem Schließen der P-Nährstoffkreisläufe verbunden sind.

Bei alledem wurde deutlich, dass sich die Umsetzung der kleinteiligen ordnungsrechtlichen Regelungen sowie die Kontrolle und der Vollzug dieser in Bezug auf die alltägliche landwirtschaftliche Düngepraxis besonders schwierig gestaltet. Geographisch möglichst breit ansetzende ökonomische Politikinstrumente, welche zunächst die rechtliche Regulierung großer Schadverursacher (fossile Brennstoffe und die intensive Nutztierhaltung) in den Blick nehmen und in der Folge (nur noch) ordnungsrechtlich ergänzt werden, so dass auch der Kontrollaufwand insgesamt minimiert wird, erschienen daher als effektivste rechtliche Lösung im Hinblick auf die zukünftige P-Governance. Eine Umsetzung effektiver Politikinstrumente, welche sich klar an den Vorgaben internationaler Umweltschutzabkommen (insbesondere an dem Paris-Abkommen und der Biodiversitätskonvention) orientieren, ist jedoch gleichzeitig an einen schwierigen gesamtgesellschaftlichen Prozess gekoppelt, welcher die Überwindung
bestehender Motivationsprobleme in einem Wechselspiel aller Akteure bedingt.

Projektbericht

Laufzeit: 01.05.2015 - 31.10.2018

Doktorand: Constantin Recknagel (Dissertation abgeschlossen)

Zusammenfassung
Baltic Sea eutrophication is frequently observed even if inorganic P is very low. It was demonstrated that also the organic P pool is partially bioavailable and, thus, might contribute as nutrient source (Nausch and Nausch, 2006; Nausch and Nausch, 2007).

The majority of the organic P pool presumably derives from phosphate esters, the biochemical backbone of contemporary life, which are highly abundant as nucleotides for energy production (e.g., ATP) or informational storage (e.g., DNA) and structural integraty of membranes (phospholipids). Less is known about the natural occurring organophosphonates (Figure 1). Harboring a C-P bond their biochemical utilization requires higher energy demand for cleavage and a dierent enzymatic machinery for organisms than cleaving the oxygen containing C-O-P phosphate group (McGrath et al., 2013). Considering the reducing atmosphere of early Earth life organophosphonates are considered as the preceding form of phosphate in early life forms.

Metabolic pathways for C-P cleavage have been conserved among a number of organisms in particular for those of the marine environment. It was shown through 31P NMR analysis that phosphonates make up about 25 % of the high molecular weight dissolved organic phosphate pool (Clark et al., 1999) and some marine species were shown to be potential sources for phosphonates in the marine environment (Clark et al., 1999; Dyhrman et al., 2009). Therefore, organophosphonate compounds presumably relevantly contribute to the marine biogeochemical P cycle.

Also anthropogenic organic P compounds, such as the herbicide compound glyphosate which is one of the major herbicides applied in Germany contribute to the environmental organic P pool.

This project aims a better understanding of the relevance of organic P compounds for the marine environment. In this regard organic P compounds were selected and it was the aim to implement suitable analytical methods to enable their analysis in samples from the Baltic Sea environment to study their relevance and behavior at marine sites. These compounds were the

•  myo-inositolhexakisphosphate (IP6)
•  phospholipids
•  methyl phosphonate (MPhn)
•  2-aminoethylphosphonate (2-AEP)
•  glyphosate and its metabolite aminomethylphosphonic acid (AMPA)

Projektbericht