Anschubprojekte im Rahmen der Förderung des Leibniz-WissenschaftsCampus Phosphorforschung Rostock

 

Anschubprojekte 07/2019-2023
2022-2023
Projekttitel Beteiligte Institute (Projektleiter zuerst benannt) ProjektmitarbeiterInnen Cluster Kurzvorstellung des Projekts
Recht und Governance der Gewässer – international, europäisch, national (Governance) Universität Rostock (JUF), Forschungsstelle Nachhaltigkeit und Klimapolitik, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Prof. Felix Ekardt (UR/FNK), Dr. Beatrice Garske (FNK), Prof. Ulrich Bathmann (IOW) V Das Projekt soll die für den Übergang vom Leibniz-WissenschaftsCampus Phosphorforschung zum Leibniz-Forschungsverbund vorgesehene Vertiefung zum Thema P und Wasser vorbereiten. Dabei sollen im Sinne einer explorativen Studie – aufbauend auf den diversen Analysen zum Landnutzungsrecht im P-Campus seitens der Antragstellenden – Fragestellungen und erste Antwortperspektiven dazu entwickelt werden, welche völker-, europa- und bundesrechtlichen, P-relevanten Anforderungen das Wasser- bzw. Meeresschutzrecht bietet und wie diese optimiert werden könnten. Ein erster Fokus liegt auf der EU-Wasserrahmenrichtlinie und auf dem internationalen Meeresumwelt- bzw. Seerecht. Mit Hilfe einer qualitativen Governance-Analyse sowie mit den Methoden der Rechtsinterpretation werden P-relevante Regelungen identifiziert und hinsichtlich ihrer Wirkung auf die P-Einträge in Gewässer und die P-Belastung der Gewässer untersucht.
Ein zweiter Fokus liegt auf der Analyse der Auswirkungen des Bundesverfassungsgerichts-Beschlusses zum Klimaschutzrecht (der u.U. weitestgehenden Entscheidung eines obersten Gerichts zum Klima- und Umweltschutz weltweit bislang), das der Erstantragsteller über 20 Jahre vorbereitet und anwaltlich mit erstritten hat. Aufbauend auf eine gerade intensiv anlaufende (bislang allerdings P-Themen ausblendende) Diskussion soll die Übertragbarkeit der Argumentation zu menschenrechtlichen Umweltschutzverpflichtungen der Gesetzgebung auf Gewässer und auf P explorativ entwickelt werden. Dies würde sowohl dem Gewässerschutz als auch dem Umgang mit P einen völlig neuen Rahmen geben.
Mit alledem könnten Fragestellungen herausgearbeitet und strukturiert sowie auf erste mögliche Antworten abgeklopft werden. Dies füllt zum einen eine Fehlstelle in der bisherigen Arbeit des P-Campus. Zum anderen wird damit ein geplantes neues Forschungsfeld des angedachten LFV angeschoben und kartiert.
Die neuen Phosphor-Bodenfertilitätsklassen und ihre Beziehungen zu Phytodiversität und Vegetationstypen
(PhosPhyDiv)		 Universität Rostock (AUF: Landschaftsökologie, Grünland) Prof. Florian Jansen, Dr. Uwe Buczko (UR/LÖ), Prof. Nicole Wrage-Mönnig, Dr. Jürgen Müller (UR/GL) I Beziehungen zwischen Boden-P-Gehalten und Phytodiversität sind gut belegt
(Ceulemans et al., 2014; Janssens et al., 1998; Mahnke et al., 2019; Wachendorf & Taube, 2001; Wassen, 2021; Wrage et al., 2010, 2011), zeigen jedoch einen chronisch schlechten Korrelationskoeffizienten und eine hohe Varianzheterogenität. Unterhalb von 50 mg kg⁻¹ P_Olsen ist ein Zusammenhang meist fehlend oder vage, nur bei sehr hohen P Werten ist die Artenzahl immer reduziert (Ceulemans et al., 2014). Regional fanden Mahnke et al. (2019) eine bessere Korrelation zur Artenzahl beim N/P Verhältniss statt mit reinem P. Neben der Frage der Verfügbarkeit des gemessenen P-Gehalts beeinflussen viele andere Bodenfaktoren die Phytodiversität, z.B. die Bodenfeuchte, der pH-Wert, die Mykorrhizierung, Stickstoff- und Kaliumgehalte, etc. Decision trees, GLM's und andere multivariate Verfahren versprechen wesentlich bessere Korrelationen und damit Vorhersagen von Biomasse und Biodiversität.
Gleichzeitig sind sowohl für den Landwirt als auch im Naturschutz (z.B. für den Erhalt von Grünland FFH Lebensraumtypen) einfache Analysen und einfache Klassifizierungen gefragt. Es soll untersucht werden, ob die neuen Klassengrenzen der fünf P-Fertilitätsstufen, die kürzlich deutlich verringert wurden, um die bisher allzu hohen P-Düngungsmengen zu reduzieren, für Einschätzungen zum potentiellen Pflanzenartenreichtum verwendet werden können, oder ob ihre Anwendung durch die Hinzunahme weiterer leicht anwendbarer Parameter ggf. verbessert werden kann.
In dem Vorhaben sollen vorhandene Daten zu Phytodiversität, Biomasse, Boden-P, K-, N-Gehalten, und weiteren Bodenparametern genutzt werden (aus dem NSG Kösterbeck [unveröffentlicht], aus Mahnke 2019 u.a. Quellen), sowie neue Daten erhoben und weitere Quellen mobilisiert werden.
Methodische Voruntersuchungen für die Analytik von MPn
(MPn-Analytik)		 Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde, Universität Rostock (MNF) Dr. Marion Kanwischer (IOW), Dr. Rhena Schumann (UR) IV Die Zunahme von cyanobakteriellem Wachstum und Produktion klimarelevanter Gase wie Methan stehen im Zusammenhang mit der Gewässereutrophierung, die zentrales Thema des Cluster II des sich in Planung befindenden Leibniz-Forschungsverbundes ist. In diesem Zusammenhang ist es das Ziel des angestrebten Teilprojektes „MPn production and use for marine oxic methane formation“ vergleichende Untersuchungen zum Vorkommen und Verteilung des potentiellen Methansubstrates Methylphosphonsäure (MPn) in der Ostsee und Küstengebieten, u.a. des Darss-Zingster-Bodden durchzuführen. Durch Tracer-Studien soll dessen Beitrag zur oxischen Methanproduktion in diesen Untersuchungsgebieten ermittelt werden.
Die Analytik zur Bestimmung von MPn in Seewasser ist zentraler Bestandteil und grundlegende Voraussetzung für das angestrebte Teilprojekt. Die Methode wurde erst kürzlich soweit voran gebracht, dass damit direkt MPn-Konzentrationen in Seewasserproben der Ostsee bestimmt werden können. Dies bedeutet jedoch, dass Probenaufarbeitung und Analytik aktuell für die Matrix der Seewasserproben der Ostsee und deren MPn-Konzentrationen optimiert sind.
Um die Methode in dem geplanten Teilprojekt einsetzen zu können, sollen in diesem Anschubprojekt noch weiterführende methodische Verbesserungen bzw. projektbezogene Anpassungen erfolgen: Die Methode ist sehr sensitiv gegenüber der Probenmatrix. Daher soll untersucht werden, ob sie in der aktuellen Form einsetzbar ist für die Analytik von Wasserproben aus dem Darss-Zingster-Bodden und ob die dort vorliegenden Konzentrationen quantitativ erfasst werden können. Ggf. sollen Schritte in der Probenvor- und aufbereitung angepasst werden, um die MPn-Analyse auch in dieser Probenmatrix zu ermöglichen.
Darüber hinaus sollen weitere wichtige experimentelle Voruntersuchungen erfolgen, die für die Planung der in dem Teilprojekt angedachten Tracer-Studien essentiell sind. Beispielsweise soll die Stabilität von MPn in Umweltproben über definierte Zeiträume untersucht werden.
Plasmaunterstützte Behandlung von Biomasse und Klärschlämmen für die Phosphorrückgewinnung
(PlaBiPhos)		 Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, Universität Rostock (AUF) Dr. Volker Brüser (INP), Prof. Jens Tränckner (UR), Prof. Jürgen Kolb (INP) II Für die Phosphorrückgewinnung aus Biomasse oder Klärschlämmen werden chemische Aufschlussverfahren angewendet. Mit Hilfe von Plasmaverfahren in Kombination mit Ultraschallverfahren besteht die Möglichkeit, den Phosphor zu mobilisieren. Dieser liegt in gelöster, chemisch oder organisch gebundener Form vor. Die Kombination von Plasma und Ultraschall ermöglicht den simultanen Einsatz von chemischem und mechanischem Aufschluss von Zellverbünden, denn der biologisch gebundene Phosphor muss für die Rückgewinnung zuerst freigesetzt werden. Hier soll das Ultraschall-Plasmaverfahren zum Einsatz kommen. Dadurch könnten die anschließenden Verfahren effizienter gestaltet oder der Einsatz von Chemikalien verringert werden. Eine besondere Herausforderung liegt in der Mobilisierung von Phosphat , welches adhäsiv an Partikel gebunden ist. Der Nachweis der der Phosphormobilisierung ist die Hauptaufgabe dieses Projektes.
Da es bereits Hinweise auf die Spaltung von Ammoniumverbindungen in Wasserstoff und Stickstoff aus der Plasmabehandlung von Güllefermentationsresten gibt, ist weiterhin zu prüfen, ob der in der Biomasse (z.B. Gülle) oder in Klärschlämmen in Ammoniumform vorhandene Stickstoffgehalt durch die Plasmabehandlung verringert wird.
Development of an ELISA for quantification of FGF23 as a marker of phosphate homeostasis in pigs
(porcineFGF23)		 Forschungsinstitut für Nutztierbiologie, Universitätsmedizin Rostock Prof. Klaus Wimmers, Dr. Michael Oster (FBN), Prof. Dagmar-Christiane Fischer (UMR) IV In mammals including pigs, the maintenance of mineral homeostasis is modulated by the complex interplay of vitamin D, parathyroid hormone (PTH), and fibroblast growth factor 23 (FGF23). The latter is a phosphaturic hormone released by osteoblasts and osteocytes. Its serum levels are perceived by a number of tissues and organs such as parathyroid glands, kidneys and bone via the receptors FGFR1 – FGFR4 (ubiquitously expressed), and α-klotho (expressed in kidney, lung, bone; appears also as soluble form in serum). The tissue-specific FGF23 signaling becomes rather complex by alternative splicing. FGF23 favors renal P excretion by inhibiting renal P transporters. Moreover, FGF23 suppresses the enzyme 1a-hydroxylase encoded by CYP27B1, thus limiting the systemic conversion of calcidiol to calcitriol, which is the biologically active form of vitamin D. In turn, PTH, calcitriol and excess serum P are known to induce FGF23 production in bone. Thus, the reliable quantification of FGF23 protein in different matrices via ELISA will be a valuable tool to infer systemic, endogenous responses in mineral homeostasis. A screening and testing of six currently commercially available ELISA kits did not reliably quantify porcine FGF23. The seed project aims to establish a polyclonal antibody suitable to quantify porcine FGF23 via ELISA and immunohistochemistry. After the definition of the epitopes, the production of recombinant porcine FGF23, its optimized purification and yield, and the production of antibodies will be conducted by a qualified commercial partner. Validation will take place in different porcine matrices such as serum, plasma, and bone extracts.
Gennetzwerke des Phosphormetabolismus von Fischen und fakultativ anaeroben Invertebraten (GePFI) Forschungsinstitut für Nutztierbiologie, Universität Rostock (MNF) Prof. Tom Goldammer (FBN), Prof. Inna Sokolova (UR) IV Die kontinuierlich steigende Erzeugung von Fischen und Invertebraten in Aquakultur bewirkt eine massive und anhaltende Verlagerung von P-Ressourcen in diese Richtung (Huang et al., 2020). Für viele kultivierte Organismen liegen kaum molekulare Informationen zum P-Haushalt vor. Dies betrifft unter anderem die metabolische Regulation, die Homöostase oder auch die Beeinflussung in typischen Stresssituationen, wie etwa Hypoxie. Für die Schonung der P-Ressourcen in der Aquakultur durch Optimierung der Haltungsbedingungen fehlen somit valide Daten. Ziel der Voruntersuchen ist es, für ausgewählte Spezies (z.B. Atlant. Lachs Salmo salar, Zander Sander lucioperca, Miesmuschel Mytilus Edulis und Schwarze Tigergarnele Penaeus monodon) im Rahmen einer umfassenden Literatur- und Genomdatenbankanalyse Moleküle (Gene, Proteine) und Signalwege zu identifizieren, welche zur Regulation des P-Haushaltes beitragen. Hierzu erfolgen Analysen mit Hilfe von IPA (Ingenuity Pathway Analysis, Qiagen). Abhängig vom Stand der Genomaufklärung der analysierten Spezies sollen ausgewählte Schlüsselmoleküle in P-Haushalt regulierenden Signalkaskaden für zukünftige funktionale Studien rekrutiert, hinsichtlich ihrer putativen Bedeutung für den P-Metabolismus gewichtet, sequenzanalytisch ausgewertet und teilweise hinsichtlich ihrer Eignung für z.B. Genexpressionsexperimente geprüft werden. Dazu werden Primer abgeleitet und mit der qRT-PCR evaluiert. Zusätzlich erfolgen anhand der rekrutierten Moleküle phylogenetische Analysen zur Darstellung evolutiver Abstammung und Sequenzhomologie. Im Fokus der Untersuchungen stehen insbesondere Moleküle, die in den P-Transport involviert und an der Bildung von Polyphosphaten beteiligt sind.
         
Plasmaunterstützte Oxidation von Phosphonsäureabfällen für die Phosphorrückgewinnung (Plasma) Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, Universität Rostock (AUF) Dr. Volker Brüser (INP), Prof. Jens Tränckner (UR), Prof. Jürgen Kolb (INP) II Phosphonsäure wird u. a. in der metallverarbeitenden Industrie als Reduktionsmittel verwendet. Die Phosphonsäureabfälle aus diesen Prozessen werden aufwendig mit Chromsäure oxidiert, mit Kalk gefällt und anschließend in Fässern Untertage entsorgt. Dadurch wird der darin enthaltene Phosphor dem P-Kreislauf entzogen. Ziel des Anschubprojektes ist es, zu prüfen, ob mit Hilfe eines Plasmaprozesses die Phosphonsäurerückstände ohne Zugabe von problematischen Chemikalien vollständig zu Phosphorsäure oxidiert werden können. Plasmen erzeugen in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff stark oxidierende und zum Teil kurzlebige Verbindungen wie OH-Radikale, H2O2 oder Ozon. Diese Spezies sind nach dem Abreagieren unproblematisch und stellen im Gegensatz zur Chromsäureanwendung keine Verunreinigungen dar. Auf diese Weise kann die so erhaltene Phosphorsäure einer weiteren Aufbereitung zugeführt werden. Im Erfolgsfall wäre damit ein grundlegender Schritt für einen Aufbereitungsprozess gegeben um den Phosphor in Form von Phosphorsäure wieder als Grundchemikalie der chemischen Industrie oder der Landwirtschaft zur Verfügung gestellt werden.
Erfassung der Kulturpflanzen-Wurzelarchitektur in Medium Size-Rhizotronen
(MedRhizo)		 Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, Universität Rostock (AUF) Dr. Klaus J. Dehmer, Dr. Mareike Kavka (IPK), Prof. Bettina Eichler-Löbermann (UR) I Bei der Aufnahme von Nährstoffen - wie etwa Phosphor - aus dem Boden spielt der Wurzelapparat
von (Kultur-)Pflanzen eine entscheidende Rolle. Dabei ist sowohl die Entwicklung(sgeschwindigkeit)
als auch die Architektur des Wurzelsystems zwischen verschiedenen Kulturarten unterschiedlich,
beides kann aber auch innerhalb derselben Art variieren. Außerdem beeinflussen sich die Wurzeln
verschiedener Genotypen und Arten gegenseitig in ihrem Wachstum. Entsprechende Unterschiede
lassen sich am besten in Rhizotronen erfassen, experimentellen Systemen zur Untersuchung des
Wurzelraums von Pflanzen.
Bisher können solche Analysen am IPK nur in relativ kleinen, „low tech“-Rhizotronen (Länge 22 cm)
vor Ort oder mit hohem finanziellen Aufwand in großen „high tech“ Rhizotronen in der
Gaterslebener Pflanzen-Phänosphäre (Länge 80 cm, sehr hohes Gewicht) durchgeführt werden. Um
die Lücke zwischen diesen Systemen zu schließen und die Wurzelentwicklung und –architektur über
einen Zeitraum von etwa vier Wochen verfolgen zu können, sollen Rhizotrone mit einer Länge von
maximal 50 cm entwickelt, beschafft und eingesetzt werden.
Root exudations and root architecture in mixed crops
(MixedRoots)		 Universität Rostock (AUF), Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung Prof. Bettina Eichler-Löbermann (UR), Dr. Klaus J. Dehmer, Dr. Mareike Kavka (IPK),Dr. Maire Holz (ZALF) I The combination of crop species may result in higher abiotic stress resistance and higher yield stability due to higher functional diversity. This is often described with complementarity and facilitation. Common mixed cropping systems combine legumes with cereals, because of their complementarity in the use of N resources. However, mixed cropping may also increase P efficiency by facilitation, as plants have evolved several features for P mobilization.
With this rhizobox study we aim to investigate interactions between plant species regarding, i) P mobilization in the rhizosphere (facilitation) and ii) root architecture and morphology (complementarity). For this purpose, we will grow to contrasting plant species (legume/non-legume) in rhizoboxes and determine the spatial distribution of root exudates and their chemical composition root as well as root architectural and morphological parameters. Additionally, plant P concentration will be analyzed. Small grain legumes (alfalfa and red clover) and grass (Lolium sp.) will be included in this study.
For visualization of root exudation, one of the two plants in the rhizobox will be pulse labelled with 1 MBq of 14CO2. This will be achieved by covering the plant with a transparent plastic bag and injection of 14C labelled CO2. Root exudates will be imaged by placing a moist filter paper to the rhizobox surface (on top of a nylon membrane) before labelling so that root exudates can diffuse into the filter paper. 24 h after labelling the filter paper will be removed and dried and imaged by placing an imaging plate (Storage phosphor screen, BAS-IP MS 2040 E, VWR) on the filter paper for 12 h and subsequent scanning (Typhoon, Amersham). The images taken will also be used to determine root architectural parameters such as rooting angle and rooting depth.
For root exudation sampling the root system of the cropping partners will be washed and separated. Cleaned roots of each cropping partner will be submerged into fresh DI water containing Micropur (Katadyn) in separate containers to allow osmotic adjustment of the roots and capture the soluble C compounds passively released upon root damage. Then, the whole root systems will be placed into the final sampling solution to inhibit microbial decomposition of exudates. Root exudate analysis will comprise total dissolved organic carbon and N determination as well as total sugars, phenolics, organic acids, amino acids and proteins.
Root morphological and architectural parameters (root diameter, root tissue densite, specific root length) will be determined by WinRHIZO. Specific root length and root tissue density will be based on measurements of length (L) or volume (V) and root dry weight. Root hair length and density will be quantified microscopically. Fine roots (laterals) and crown roots will be used to determine mycorrhizal colonization.
Untersuchung ausgewählter Antikörper für die immunhistochemische Analyse der Nebenschild-drüsen von Schweinen
(histoNSD)		 Universitätsmedizin Rostock, Forschungsinstitut für Nutztierbiologie Dr. Jonas Keiler (UMR), Dr. Michael Oster (FBN) IV Die Nebenschilddrüsen (NSD) und ihr wichtigstes endokrines Produkt, das Parathormon (PTH), sind für die Aufrechterhaltung der Mineralstoffhomöostase von wesentlicher Bedeutung. Durch die Freisetzung von PTH steuern die NSD den Kalzium- (Ca) und Phosphorspiegel (P) im Serum, was Einfluss auf die Knochenmineralisierung und die generelle P-Versorgung im Organismus nimmt. Die physiologischen Zusammenhänge gelten für alle Säugetiere, einschließlich großer Tiermodelle wie dem Schwein. Die PTH-Expression, die mRNA-Stabilität und die Hormonsekretion werden durch eine Vielzahl von Effektormolekülen gesteuert, darunter Mineralstoffe, endokrine Faktoren und miRNAs, hängen aber auch von post-transkriptionellen Veränderungen und Proliferations-Signalen ab. In einem Fütterungsversuch mit variablen P-Gehalten an Schweinen konnten darüber hinaus intrazelluläre Signalwege zur Kontrolle der PTH-Expression und Sekretion identifiziert werden (Oster et al., 2021; Biomedicines).
Jede NSD besteht aus lobulärem Parenchym, das durch extrazelluläres Kollagen strukturiert ist, und zeigt seine höchste Reaktionsfähigkeit auf externe Stimuli als intaktes Gewebe. Schweine wiesen nach einer reduzierten P-Versorgung erhöhte Transkriptmengen verschiedener Kollagene in den NSD auf (Oster et al., 2021; Biomedicines). Begleitende histologische Vorarbeiten zeigen, dass sich dies auch auf der Proteinebene widerspiegelt und zu einem veränderten Verhältnis zwischen extrazellulärem Kollagen und PTH-produzierendem Parenchym führt.
Im Anschubprojekt sollen nun erste Schritte für die Durchführung immunhistochemischer Färbungen von NSD getestet werden. Hierfür werden Primärantikörper, insbesondere gegen die strukturellen Hauptkomponenten der Extrazellularmatrix, Col1A1, Col1A2 und Col3A1, aber auch gegen Col14A1, Col5A1 und Col5A2, anhand von Paraffinschnitten appliziert und mit chromophorgekoppelten Sekundärantikörpern gekoppelt und lichtmikroskopisch detektiert. Für eine genauere Analyse der diätspezifischen NSD-Mikroanatomie sollen in dem Zusammenhang fluorophorbasierte Doppelfärbungen gegen PTH und den Hauptregulator für PTH, den calciumsensitiven Rezeptor (CaSR), durchgeführt werden. Auf der Grundlage dieser Etablierung kann in Folgearbeiten untersucht werden, inwieweit das Expressionsmuster der verschiedenen Kollagenarten nach variabler P-Zufuhr mit dem mikroanatomischen Profil im Gewebe übereinstimmt. Der Nachweis der ernährungsassoziierten Kollagenhäufigkeit in den NSD kann zu neuen therapeutischen Strategien zum Erhalt der Mineralstoffhomöostase beitragen.
Cultivation of bone-forming cells and analysis of respective expression profiles
(CULTIVATE)		 Forschungsinstitut für Nutztierbiologie, Universitätsmedizin Rostock Prof. Klaus Wimmers, Dr. Henry Reyer (FBN), Prof. Dagmar-Christiane Fischer (UMR) IV Osteoimmunology, i.e. the cross-talk between bone and immune cells has evolved as a significant research field in both human and animal species. The bone-forming osteoblasts are derived from mesenchymal stem cells while osteoclasts are derived from hematopoietic stem cells. In detail, osteoblasts are involved in the regulation of the hematopoietic stem cell niche from which all blood cells and immune cells are derived. A better understanding of the underlying cell communication is of importance for mammals including pigs: In terms of bone integrity, differentiation of bone and immune cells, as well as for the derivation of revised recommendations of dietary P supply. The recent development of a protocol for the cultivation of synovial mesenchymal stem cells of porcine origin has provided a tool for medical research and therapies [Siengdee et al., 2020, Front. Cell. Dev. Biol.]. However, the differentiation process of the stem cells into osteocytes requires 28 days. Therefore, for the efficient development of appropriate protocols to mimic a reduced dietary P supply as well as the vitamin D status in-vitro, commercially available, already differentiated osteoblast-like cell lines of human or murine origin are advantageous prior to extending the analyses to primary cells of pig origin. The seed project involves culturing osteoblast-like cell lines according to-be-developed protocols (e.g. MC3T3, hFOB 1.19). Initial in-vitro tests will include variable P and vitamin D levels in the cell culture media and its effects on the expression profile of key genes involved (e.g., receptor activator of NF-κB Ligand (RANKL), vitamin D receptor (VDR), osteoprotegerin (OPG), fibroblast growth factor 23 (FGF23) and its receptor FGFR1 and α-klotho). This will pave the way for mapping osteoimmunological processes using cultured porcine synovial mesenchymal stem cells and macrophages, which will be studied in a follow-up project employing variable P and vitamin D levels. Thus, resulting transcriptional responses and differentiation potential will be deduced to identify regulators and downstream effector molecules involved in P homeostasis.
2019-2021
Projekttitel Beteiligte Institute (Projektleiter zuerst benannt) ProjektmitarbeiterInnen Cluster Kurzvorstellung des Projekts
Die Rolle von Protisten im Phosphorkreislauf biologischer Bodenkrusten (ProCycle) Universität Rostock (MNF, AUF), Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Dr. Martin Albrecht (UR), Dr. Karin Glaser (UR), Prof. Matthias Labrenz (IOW), Prof. Peter Leinweber (UR) I, IV In diesem Projekt soll erstmalig der Einfluss von Bodenkrusten-Protisten auf krustenbildende Algen in P-limitierten Dünen untersucht werden. Das Wachstum von Algen, die für Protisten wegen ihrer Größe keine Nahrung darstellen, wird mit und ohne Protisten bestimmt. Das Microbial Loop soll im Labor mit den repräsentativsten Vertretern der Protisten, Bakterien (als Protistennahrung) und Bodenalgen (Wachstum als Ergebnis des Düngens) stark vereinfacht nachgebildet werden. Zur Beschreibung der P-Flüsse werden die anorganischen und organischen P-Pools bestimmt. Das Ziel ist, den P-Fluss zwischen Bakterien, Algen und Protisten abzuleiten und grundsätzliche mechanistische Konzepte zu den biogeochemischen P-Umsetzungsprozessen in Bodenkrusten weltweit zu entwickeln.
Plasmainduzierte Abbaureaktionen in Glyphosat-haltigen Substraten (PIAG) Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, Universität Rostock (AUF) Dr. Volker Brüser (INP), Prof. Peter Leinweber (UR), Prof. Jürgen Kolb (INP) I, Q Im Projekt sollen erste grundlegende plasmainduzierte Abbaureaktionen von Glyphosat in wässrigen Medien untersucht werden. Dabei sollen die Plasmabehandlungen am INP erfolgen. Die Durchführung der Analysen ist dagegen an der Uni Rostock geplant. Das Ziel des Projektes ist es, eine Einschätzung zur Eignung von Plasmamethoden zur Reduktion von Glyphosatkonzentrationen z.B. in Kläranlagen zu geben, und in Erfolgsfall sich anschließende Projekte zu generieren.
Entwicklung enantioselektiver katalytischer Wittig Reaktionen basierend auf chiralen Phosphorverbindugen als Katalysatoren (P-CAT) Leibniz-Institut für Katalyse, Universität Rostock (MNF) Dr. Thomas Werner (LIKAT), Prof. Armin Börner (UR) III Die Überführung von Carbonylgruppen in Olefine ist eine fundamentale Reaktion in der organischen Synthese. Hierbei kommen aufwendig herzustellende und oft sehr teure chirale Phosphorverbindungen zum Einsatz. Wir wurden vor kurzem von Prof. Trauner (Mitglied des Editorial Boards von Organic Synthesis) eingeladen einen Artikel mit einer (optimierten) Synthesevorschrift für das Journal Organic Synthesis zu erarbeiten. Das Besondere an diesem sehr renommierten Journal ist, dass die Vorschriften in den Laboren eines der Mitglieder des Boards reproduziert werden. Vorschriften/ Artikel aus diesem Journal werden daher oft und gerne angewandt und zitiert. Im Rahmen dieses Projektes soll im Laufe von 3 Monaten eine solche Vorschrift entwickelt und reproduziert sowie ein entsprechendes Manuskript verfasst werden. Die chiralen P Verbindungen werden dabei in der Arbeitsgruppe von Prof. Börner synthetisiert. Das Screening dieser Verbindungen und die Erarbeitung der Vorschrift für Organic Synthesis erfolgt in der Arbeitsgruppe von Dr. Werner.
Phosphor - Protein - Interaktionen in der Quervernetzung (P-ChemBind) Universität Rostock (MNF), Leibniz-Institut für Katalyse Dr. Jan von Langermann (UR), Dr. Thomas Werner (LIKAT), Prof. Udo Kragl (UR) III Geplant ist die Anbindung organischer Phosphonate über aminhaltige Seitenketten an ein Modellprotein und ggf. eine anschließende Quervernetzung zur Darstellung von löslichen und ebenso wasserunlöslichen P-Protein-Aggregaten. Durch die Co-Quervernetzung sollen wasserlösliche Phosphonate faktisch heterogenisiert bzw. "immobilisiert" werden und deren Bindungszustand in/an der Proteinhülle über NMR/IR/etc. untersucht werden. Durch die Größenverhältnisse können sich die gebundenen Phosphonate auch über Ultrafitrationsmembranen zurückhalten lassen. Das Ziel ist die Bildung von P-geträgerter Proteine, welche wiederum Angriffspunkte als schaltbare Bindungsstelle für andere Proteine oder katalytische Komplexe darstellen soll. Das Protein wird in dieser Studie nur als "Backbone" fungieren und bei Erfolg durch (modifizierte) Enzyme ersetzt werden.
Dietary effects on DNA methylation in porcine parathyroid glands (EpiPTG) Leibniz-Institut für Nutztierbiologie, Universität Rostock (AUF), Universitätsmedizin Rostock Dr. Michael Oster (FBN), Prof. Klaus Wimmers (FBN), Prof. Petra Wolf (UR), Prof. Brigitte Vollmar (UniMed) IV It has been proposed that an adaptive response termed ‘Metabolic Programming’ offers the possibility to induce different and stable phenotypes. To consider any long-term effects with regard to a P homeostasis in finisher pigs, RNA-Seq data will be complemented by the analysis of targeted DNA-methylation marks obtained via bisulfite sequencing.
In addition, directly affected parameters such as the serum level of PTH (released from the parathyroid glands) and its effects on bone mineralization will be assessed. The comprehensive molecular and phenotypic characterization forms the basis for the possible implementation of dietary
P conditioning in monogastric animals.
Phosphorus as a cue regulating microbial N2O production (PQ4N) Universität Rostock (AUF), Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Prof. Nicole Wrage-Mönnig (UR), Prof. Maren Voß (IOW) IV The nitrogen (N) and phosphorus (P) cycle are closely linked. We hypothesize that P-additions influence the competition among soil microbes involved in N cycling and thus also the amount and sources of N2O emissions. These effects depend on the form of P used and its availability to the organisms involved.We will carry out incubation experiments with/without P additions and measure effects on N transformations in systems including/excluding plants. We will use newly developed and state-of-the-art isotop(omer)ic as well as molecular methods to differentiate among microbial sources of N2O (bacterial and archaeal nitrification, nitrifier denitrification, bacterial denitrification, fungal denitrification, codenitrification, …). This will enable us to find specific reactions of certain groups of organisms to the factors investigated. The findings will help to shape the hypotheses for a follow-up project proposal.
Anschubprojekte 2015 - 06/2019
Projekttitel Beteiligte Institute (Projektleiter zuerst benannt) Projektmitarbeiter Cluster Kurzvorstellung des Projekts
31-P-NMR-Spektroskopie: Weiterentwicklung der Methoden und Anwendung auf P-Verbindungen und -Flüsse in der Umwelt (P-NMR) Universität Rostock (AUF), Leibniz-Institut für Katalyse e.V., Leibniz-Institut für Ostseeforschung Julia Prüter (Uni) I An Sedimentproben aus küstennahen Gewässern und der Ostsee wird geprobt, inwieweit die durch störendes Fe beeinträchtigte 31P-NMR-Spektroskopie mittels verbesserter Vorbehandlungsmethoden weiterentwickelt werden kann und gemeinsam mit chemischen Fraktionierungen und synchrotron-basierter Röntgenabsorptionsspektroskopie eine möglichst gute Charakterisierung des P-Status der Proben erreicht werden kann. Damit soll ein Beitrag zu Kenntnis der Transferwege und Umsetzungen von P vom Land zu aquatischen Ökosystemen und Erforschung von Möglichkeiten zur Verringerung der Gewässereutrophierung geleistet werden.
The role of reversible phosphorylation in regulation of mitochondrial bioenergetics (MitoP) Universität Rostock (MNF), Leibniz-Institut für Nutztierbiologie Inna Sokolova (Uni), Eugene Sokolov (Uni), Klaus Wimmers (FBN), Siriluck Ponsuksili (FBN) I, II The project will investigate the role of reversible phosphorylation of mitochondrial proteins in regulating the mitochondrial function and ATP synthesis during intermittent hypoxia in hypoxia-tolerant and hypoxia-sensitive invertebrates and vertebrates. We will use global and targeted proteomics approaches to uncover the phosphate-dependent metabolic switches in key mitochondrial pathways with the goal to determine their contribution to the ability of the tissues to withstand hypoxia-reoxygenation stress such as occurs during tidal and diurnal hypoxia in aquatic animals and during ischemia or stroke in terrestrial mammals.
P-Recycling in der Tierproduktion Universität Rostock (AUF), Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde, Leibniz-Institut für Nutztierbiologie Jens Tränckner (Uni) II Entwicklung geeigneter Recycling-Technologien für die Herstellung fütterungstechnisch nutzbarer P-Recyclate aus 1) Gärresten von Schweinegülle, Hühnerkot und 2) Klärschlamm von RAS-Anlagen. Angestrebt wird in beiden Fällen die Herstellung einer geeigneten Kalzium-Phosphat-Verbindung, die den Anforderungen der Tierernährung genügt. Die technologischen Herausforderungen bestehen in der P-Anreicherung in der gelösten Phase, der Phasen-Separation, der Fällung und der Anreicherung bzw. Reinigung des gewonnenen Kalziumphosphates zu einem nutzbaren Futtermittel.
Evaluierung neuer P-basierter Organokatalysatoren in der Aktivierung kleiner Moleküle und in der P(III)/P(V)-Redoxkatalyse (P-Aktiv) Leibniz-Institut für Katalyse e.V., Universität Rostock (AUF) Lars Longwitz (LIKAT) III Innerhalb des Projektes sollen neue P-basierte Organokatalysatoren für die Aktivierung kleiner Moleküle (H2 und CO2) dargestellt und getestet werden. Die Testung erfolgt an ausgewählten Modellreaktionen wie z. B. der Hydrierung von Alkenen und der Addition von CO2 an Epoxide. Hierbei sollen gezielt definierte Strukturen synthetisiert werden, die für weitere Reaktionen z. B. kinetische Racematspaltungen genutzt werden können.
Heterogenisierung P-basierter Organokatalysatoren mittels Plasmatechnik (H-POP) Leibniz-Institut für Katalyse e.V., Leibniz-Institut für Plasmaforschung und -technologie Yuya Hu (LIKAT) III Innerhalb des Projekts sollen Oberflächen mittels Plasmatechnik mit P-basierten Organo-katalysatoren modifiziert werden. Hierbei werden zunächst unterschiedliche Verlinkungs-möglichkeiten evaluiert. Anschließend werden Organokatalysatoren an geeigneten Substraten immobilisiert. Die auf diese Weise heterogenisierten P-basierten Organokatalysatoren werden auf ihre katalytische Aktivität getestet und unter optimierten Reaktionsparameter rezykliert werden.
Unraveling molecular signaling pathways involved in phosphorus acquisition of potato (PIPAPo) Universität Rostock (AUF), Leibniz-Institut für Pflanzengentik und Kulturpflanzenforschung, Teilsammlungen Nord Mareike Kavka (Uni) II Die Phosphoraneignung der Kartoffel ist generell niedrig, es existieren jedoch intraspezifische Unterschiede. In diesem Projekt wird untersucht, ob die Phosphor-Signalwege bei der Phosphoraneignungseffizienz der Kartoffel eine Rolle spielen. Hierzu werden die Expressionslevel von microRNAs mit wichtiger Funktion in der Signalweiterleitung in unterschiedlichen Kartoffel-Genotypen gemessen.
Entsalzung von Meerwasser mittels Elektrodialyse Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde, Universität Rostock (MNF) Marion Abraham (IOW), Detlef Schulz-Bull (IOW), Marisa Wirth (IOW),
Udo Kragl (Uni)		 I Bei der Aufarbeitung bzw. Anreicherung von Meerwasserproben wird die effiziente Anreicherung organischer P - Verbindungen mittels Festphasenextraktion (SPE) durch die Salzwassermatrix gestört. Daher ist die Anreicherung dieser Substanzen auf Wasserproben mit nur sehr geringem Salzgehalt begrenzt, wie z.B. Flußwasserproben, bzw. die Bestimmung der Konzentration dieser Substanzen ist derzeit in marinen Gewässern nicht möglich. Ziel des Anschubprojektes ist die Implementierung eines Elektrodialyse-Systems, um den Salzgehalt von Seewasserproben zu reduzieren. Einflüsse durch pH, Salinität und Temperatur des Probenwassers auf die Elektrolyseeffizienz werden untersucht, genauso wie die effeziente Retention der organischen P- Verbindungen.
Evaluation von Phosphoraufschlüssen natürlicher Materialien (EvaPhoN III) Universität Rostock (AUF/MNF), Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Rhena Schumann (Uni), Dana Zimmer (Uni), Marion Abraham (IOW) I Bisher wurden verschiedene Aufschlussprozeduren für P miteinander verglichen sowie qualitätssichernde Maßnahmen beteiligter Arbeitsgruppen registriert. Weitere Methoden und Vergleiche sollen ergänzt werden. Sehr wichtig sind Empfehlungen zum Qualitätsmanagement. Als Ergebnis soll eine Web-Publikation entstehen. Diese umfasst auch konkrete Beispiele zu den Ausbeuten (Methodenvergleiche an verschiedenen Materialien) und zur Methodenvorbereitung. Ebenso werden Beispiele für das Qualitätsmanagement bereitgestellt (Kontrollkartensystem, Bestimmungsgrenzen u.a.).
Abtrennung von organischen Phosphaten durch Kristallisation (CrysPhos) Universität Rostock (AUF/MNF), Leibniz-Institut für Katalyse e.V. Jan von Langermann (Uni), Udo Kragl (Uni), Thomas Werner (LIKAT), Matthias Beller (LIKAT) III Als neuartige Methode soll die Kristallisation/Fällung von organischen Phosphaten bzw. Organophosphaten aus wässrigen Lösungen untersucht werden.
Hierbei soll die geringe Löslichkeit von Lanthan- und Yttrium-Salzen dieser Verbindungen ausgenutzt werden, was eine nahezu quantitative Fällung und damit einfache Rückgewinnung durch Filtration ermöglicht.
Plasmabasierte Methoden zum Aufschluss von biologischen Substraten für die P-Analytik (PAS) Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP), Universität Rostock, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Volker Brüser (INP),
Rhena Schumann (Uni),
Peter Leinweber (Uni),
Thomas Leipe (IOW)		 I Zum Aufschluss von biologischen Materialien für die P-Analytik werden verschieden chemische Verfahren eingesetzt (z.B. Persulfataufschluss, Königswasseraufschluss, etc.). Bei diesen Methoden werden den Proben chemische Substanzen (u.a. starke Säuren) zugesetzt und somit deren chemische Elementzu-sammensetzung verändert, was bei der anschließenden analytischen Auswertung berücksichtigt werden muss. Bei der plasmabasierten Methode handelt es sich um ein physikalisches Verfahren, das ohne zusätzliche Chemikalien auskommt.
Novel mechanisms of P-dependent energy transductions in an animal extremophile Universität Rostock, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Inna Sokolova (Uni), Eugene Sokolov (IOW), Michael Zettler (IOW) IV Most organisms cannot tolerate hypoxia and ATP production is strongly reduced with all negative consequences. However, the ecological success of Lembulus bicuspidatus under such environmental stress such as hypoxia implies existence of unique physiological and molecular mechanisms that regulate ATP production and P-dependent energy fluxes under extremely hypoxic conditions. The proposed project will use discovery-oriented approach to identify such potentially adaptive mechanisms in hypoxia-adapted bivalves by sequencing, assembling and annotating of mitochondrial and nuclear genome.
Shifted excitation Raman difference spectroscopy testing for analysis of inorganic phosphorus, inositol phosphates (InsPx) and myo-inositol in environmental and animal samples (SERAIP) Leibniz-Institut für Nutztierbiologie (FBN), Universität Rostock in Zusammenarbeit mit dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH) Berlin Klaus Wimmers (FBN), Peter Leinweber (Uni), Rhena Schumann (Uni) II Monogastrier können den in Pflanzen in Form von Inositolphosphaten (InsPx) vorliegenden Phosphor nur unzureichend nutzen und werden daher mit mineralischem P versorgt. Die ineffiziente P-Nutzung führt zu hohen P-Mengen in den Exkrementen, welche die Umwelt belasten können. Um Maßnahmen zur Verbesserung der P-Effizienz ableiten zu können, sind Messungen von Phosphor und Metaboliten des P-Haushalts an einem breiten Spektrum von Probenmaterial wie Boden, Sedimenten, Futtermitteln, Digesta, Knochen, Kot und Urin notwendig.
Die Raman-Spektroskopie ist eine berührungslose, zerstörungsfreie und etablierte Analysetechnik für organisches und anorganisches Material, die chemische Informationen über die untersuchten Substanzen liefert. Ziel sind initiale Raman-spektroskopische Messungen ausgewählter Metaboliten mit Relevanz im Phosphor-Zyklus.
Synthese von isotopenmarkiertem AMPA für die qualitative und quantitative Analyse des Glyphosatabbaus im Boden (AMPA) Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), Leibniz-Institut für Katalyse e.V. (LIKAT), Universität Rostock Marion Kanwischer (IOW), Thomas Werner (LIKAT), Peter Leinweber (Uni), Axel Schulz (Uni) I Im Zuge eines Lysimeterexperiments wurde isotopenmarkiertes Glyphosat eingesetzt, um den eventuellen Abbau des Glyphosats im Boden und Transport im Sickerwasser zu verfolgen. Um Aussagen zum Abbau von Glyphosat treffen zu können, sollen die Proben am IOW mittels gezielter LC-MSMS - Analyse auch auf das Abbauprodukt AMPA analysiert werden. Das für das Tuning der LC-MSMS benötigte (15N)-AMPA ist nicht käuflich zu erwerben und soll daher mittels chemischer Synthese am LIKAT hergestellt werden, um qualitative und quantitative sichere LC-MSMS - Analysen durchführen zu können. Proben aus dem Lysimeterexperiment sollen damit auf (15N)-AMPA untersucht werden, um gesicherte Aussagen zum Abbau des Glyphosats zu AMPA treffen zu können.
Glyphosat „Beeinflussung der Biodiversität & biologischen Aktivität in terrestrischen und aquatischen Systemen durch Glyphosat und AMPA“ Universität Rostock, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) Peter Leinweber (Uni), Marion Kanwischer (IOW), I Aufbauend auf einem Lysimeterexperiment zum Glyphosatabbau und -austrag sowie des beantragten Anschubprojektes AMPA soll eine Literaturrecherche zu Auswirkungen von Glyphosat und AMPA auf die Biodiversität und biologische Aktivität durchgeführt werden, um experimentelle Ansätze für ein Projekt herauszuarbeiten. Mit dem anvisierten Projekt soll ein wissensbasierter Beitrag zur sehr kontroversen Diskussion um dieses Totalherbizid geleistet werden.
Zusammenstellung von Langzeitdaten und Ringversuchsdaten zum P-Aufschluss aus unterschiedlichen Naturmaterialien innerhalb des P-Campus für das eBook P analytics (P-Digest) Universität Rostock, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP) Rhena Schumann (Uni), Dana Zimmer (IOW), Volker Brüser (INP), Peter Leinweber (Uni)   In den Projekten EvaPhoN I-III und PAS wurden neben Literaturrecherchen zahlreiche Analysen mit unterschiedlichen Umweltproben (z. B. Boden, Ostseesedimente, Stroh, Rinderknochen) mit verschiedenen Aufschluss- und Detektionsmethoden für P durchgeführt und neue Methoden evaluiert. Ergebnisse (inkl. Qualitätsmanagement) aus diesen Projekten werden in das P-Handbuch des P-Campus integriert bzw. für eine Publikation zusammengestellt. Das Projekt P-Digest hat das Ziel alle bereits entstandenen Daten aus den vorherigen Projekten geordnet zusammen-zustellen und evtl. fehlende Aufschlüsse und Vergleichsmessungen durchzuführen, so am Ende eine Bewertung zur Eignung der unterschiedlichen Aufschluss- und Messmethoden für die einzelnen Umweltproben verfügbar ist.
Cyclovoltammometrische Messungen an Phosphorliganden (P-Redox) Leibniz-Institut für Katalyse e.V. (LIKAT), Universität Rostock Christian Hering-Junghans (LIKAT), Robert Francke (Universität Rostock)   Redox-aktive Liganden sind ein vielseitiges und nützliches Werkzeug, um die Reaktivität von Metallkomplexen zu erweitern. Da Phosphor leicht zwischen den Oxidationsstufen III und V wechseln kann, ist die Synthese von Metallkomplexen für die Funktionalisierung von atmosphärischem Stickstoff mit Kohlenstoff-Bausteinen geplant. Da die Phospha-alkenliganden potentiell redox-aktiv sind, müssen elektrochemische Messungen zu deren Reduzierbarkeit durchgeführt werden. Im Rahmen dieses Anschubprojektes soll die Cyclovoltammetrie (CV) als analytische Methodik in der Arbeitsgruppe etabliert werden.