OPUS 4 | Search

Untersuchungen zum Wasserhaushalt eines Fichtenwaldstandorts unter Berücksichtigung der Humusauflage (2007)

Tobias Zuber

Die Humusauflage ist ein wichtiger Bestandteil von Waldböden, der stark durchwurzelt wird und, in Abhängigkeit von der Mächtigkeit, einen bedeutenden Beitrag zur pflanzenverfügbaren Speicherung von Wasser leisten kann. Dennoch wird die Humusauflage in Bodenwasserhaushaltsmodellen nur selten berücksichtigt. In dieser Arbeit soll der Wasserhaushalt der Humusauflage eines Fichtenbestands (Picea abies L.) im Fichtelgebirge (NO-Bayern) für eine Kontroll- und eine Manipulationsfläche, die über sechs Wochen experimentell ausgetrocknet und anschließend wiederbefeuchtet wurde, quantifiziert und modelliert werden. Für die korrekte Abbildung des Bodenwasserhaushalts im Modell wurden die bodenphysikalischen Parameter am Untersuchungsstandort umfassend charakterisiert. Die pF-Kurve wurde für die Mineralbodenhorizonte bis pF 4,2, für die Humusauflage bis pF 5,5 ermittelt. Die Spanne der volumetrischen Wassergehalte zwischen Sättigung und maximaler Austrocknung ist dabei in der Humusauflage sehr viel größer als im Mineralboden. Dies wirkt sich auf die Höhe der nutzbaren Feldkapazität aus, die für die 13 cm mächtige Humusauflage mit 41 mm, für den Mineralboden bis 40 cm Bodentiefe, unter Berücksichtigung des Skelettanteils, mit 71 mm bestimmt wurde. Die experimentelle Austrocknung des Fichtenbestands führte, im Vergleich zur Kontrollfläche, lediglich in der Humusauflage zu signifikant geringeren Wassergehalten, während im Mineralboden keine Manipulationseffekte auftraten. Zwischen Juli und August 2006 wurden für die Humusauflage der Manipulations- und der Kontrollfläche maximale Saugspannungen von pF 6 bzw. pF 5 über die pF-Kurve errechnet. Ein weiteres Ziel war die Weiterentwicklung eines Lindenholzsensors zur horizontgenauen Bestimmung von Matrixpotentialen in Humusauflagen mittels elektrischer Leitfähigkeitsmessung. Im Bereich der Messtechnik und bei der Beachtung des Temperatureinflusses konnten Fortschritte erzielt werden, eine kontinuierliche in situ-Bestimmung von Matrixpotentialen wurde aber nicht erreicht. Die volumetrischen Wassergehalte konnten im trockenen Bereich bis 20 Vol.-% erfasst werden, im feuchteren Bereich sind die Lindenholzsensoren ungeeignet. Neben der Entwicklung von Lindenholzsensoren sollten weitere Sensoren auf ihre Anwendbarkeit in Humusauflagen hin getestet und verglichen werden. ECH2O-Sonden bildeten über eine gute Freilandkalibrierung die volumetrischen Wassergehalte in der Humusauflage von 3 bis 60 Vol.-% kontinuierlich und korrekt ab, bei weitestgehender Wartungsfreiheit der Messtechnik. Auch mit einer mobilen FDR-Sonde konnte im Freiland eine gute Kalibrierung zur Bestimmung von volumetrischen Wassergehalten in der Humusauflage erzielt werden. Die Verwendung von Einstichtensiometern hingegen kann nur unter feuchten Bedingungen zur Ermittlung von Saugspannungen in Humusauflagen empfohlen werden. Mit einem Wasserhaushaltsmodell konnte der Wasserhaushalt der Mineralbodenhorizonte und der Humusauflage für die Austrocknungsperiode abgebildet werden. Nach stärkeren Niederschlagsereignissen wurden die Wassergehalte, insbesondere in der Humusauflage, jedoch teils deutlich überschätzt. Dies wird auf die Ausbildung von Hydrophobizität und dadurch bedingtem präferentiellen Fluss als Folge vorausgegangener Austrocknung zurückgeführt. Die Arbeit hat gezeigt, dass die Humusauflage in der Vegetationsperiode für den Wasserhaushalt des Fichtenbestands von großer Bedeutung ist. Durch den Vergleich unterschiedlicher Sensoren und die Simulation des Wasserhaushalts im Modell hat sich gezeigt, dass die hohe Dynamik der Wassergehalte und Saugspannungen in der Humusauflage relativ zuverlässig beschrieben werden kann.

Untersuchungen zur Ausbildung hochgeordneter Strukturen in lamellaren Tensidphasen (2007)

Christian Wolf

Komplex aufgebaute äquidistante Lamellenflächen bilden in Systemen mit parabolischen Fokalkegeln hochsymmetrische Muster. Am Beispiel des Systems Natriumdodecylsulfat / Wasser / Hexanol / Dekan wurde dieses Verhalten im Bereich von L3- und lamellarer Phase gefunden und untersucht. In der vorliegenden Arbeit sollten die Ursachen und Wege bei der Ausbildung solcher Strukturen genau aufgeklärt und qualitativ untersucht werden. Es ist bekannt, dass geordnete lamellare oder smektische Phasen bei erzwungener Dilatation parabolische Fokalkegel bilden können, die zu regelmäßiger Musterbildung neigen. Bei den hier untersuchten Tensidsystemen waren die Probengefäße jedoch starr und keinem mechanischen Stress unterworfen. Trotzdem wurden hier besonders gut ausgeprägte Muster von parabolischen Fokalkegeln nachgewiesen. Es stellte sich deshalb die Aufgabe, alle auftretenden dynamischen Prozesse von der Probenpräparation an bis zur Ausbildung des Musters und dessen Zerstörung zu dokumentieren und zu beschreiben. Im lamellaren Einphasengebiet wurde in keinem Fall die Ausbildung von geordneten Lamellen beobachtet. Alle Proben blieben ungeordnet und zeigten starke Doppelbrechung. Bei Entnahme der lamellaren Phase aus dem koexistierenden lamellar / L3-Gebiet entstand dagegen in allen Fällen in kurzer Zeit Pseudoisotropie. Von den verschlossenen Rändern des Microslides aus begann in den pseudoisotropen Proben eine nebelartige Fahne in das Kapillarinnere hinein zu wachsen. Bei starker Vergrößerung des Nebels konnte nachgewiesen werden, wie zunächst aus diffusen Strukturen Muster entwickelt wurden. Mustergröße, Kontrast und Ordnung nahmen dabei stark zu, bis schließlich große Bereiche mit nahezu perfekten Quadraten entstanden. Es ist mit der gewählten Methode reproduzierbar gelungen, solche hochgeordneten Bereiche in perfekter quadratischer Orientierung über das gesamte Gesichtsfeld des Mikroskops zu erzeugen. SDS-Konzentration, Hexanol- und Dekangehalt, Kotensid und Temperatur wurden variiert, um bestmögliche Bedingungen für solche optimalen Ordnungen zu finden. Die hohe Gleichmäßigkeit der Gitter ermöglichte die quantitative Untersuchung der Mustergeometrie. Es konnte gezeigt werden, dass die Muster immer exakt in der Mitte zwischen unterer und oberer Fläche des Probengefäßes positioniert waren. In der mittleren Fokalebene ist die Symmetrie außerordentlich hoch, weil die sowohl nach oben und nach unten verlaufenden Parabeln identisch abgebildet werden. Bei Verschiebung des Fokus fand man eine obere und untere ganz scharf abgebildete Fokalebene, in der nur jeweils die vier oberen oder unteren der zusammenfallenden Parabeln scharf abgebildet werden. Wenn man die Dicke der Microslides veränderte, entstanden die Muster zunächst in gleicher Größe. Sie wuchsen dann aber unter Kontrastverstärkung bis zu einem maximalen Wert an, der proportional mit der Dicke der Microslides zunimmt. Besonders war der Vergleich zwischen oberer und unterer Fokalebene mit der Größe der Elementarzelle. Die Messwerte für alle Proben und für alle Microslidedicken lagen auf einer Geraden durch den Nullpunkt. Hieraus ist zu schließen, dass die Mustergestalt der parabolischen Fokalkegel von einem einzigen Parameter, der Zellgröße, bestimmt wird, das heißt, alle Muster sind einander ähnlich. Um die Triebkraft für die Bildung der parabolischen Fokalkegel zu ermitteln wurden Proben angesetzt, abgedichtet und in bestimmten Zeitintervallen gewogen. Dabei wurde nachgewiesen, dass Wasser, Hexanol und vor allem Dekan durch den Kitverschluss diffundieren können. Das Phasendiagramm zeigt, dass bei Dekanverlust die lamellare Phase erhalten bleibt, dass aber dabei der interlamellare Abstand abnehmen muss. Für die geordnete Probe im Microslide wirkt dieser Vorgang aber wie eine erzwungene Dilatation, die zur Bildung der parabolischen Fokalkegel führt, um diesen Zwang auszuweichen. Hierdurch wird auch verständlich, dass sich die Proben nach Ausbildung des Musters nach einiger Zeit weiter verändern. Dabei treten Fließbewegungen des gesamten Musters auf. Dadurch werden Verzerrungen im Muster erzwungen. Es konnte dabei nachgewiesen werden, dass solche Verzerrungen nach Änderung des 90° Winkels vom Quadrat zu einem 60° Winkel wieder ein neues stabiles Rautengitter mit neuer Symmetrie ausbildeten. Dieses Gitter ist der Grenzfall der maximal möglichen Verzerrung eines regulären Musters parabolischer Fokalkegel zu einem Ellipsen-Hyperbel-Gitter. In Proben mit wenig lamellarer Phase entstanden in starker Dynamik aus hochgeordneten Bereichen der lamellaren Phase exakt hexagonal angeordneter Strukturen, die sich unter dem Polarisationsmikroskop wie Maltesertröpfchen verhielten. Die Eigenschaften von parabolischen Fokalkegeln sind hierbei völlig verschwunden. Es ist deshalb anzunehmen, dass bei diesem Gitter die Fokalkegel unter Ausbildung lamellar ähnlicher Tröpfchenstrukturen zunehmend zerstört werden.

Über den Einfluss molekularer Parameter auf die Transporteigenschaften organischer Lösungsmittel (2007)

Gerhard Wittko

In dieser Arbeit wird der Einfluss molekularer Parameter wie Masse und Trägheitsmoment auf Diffusion und Thermodiffusion binärer niedermolekularer Flüssigkeiten experimentell untersucht. Die verwendete Messtechnik beruht auf transienten holographischen Gittern. Die Soret-, Thermodiffusions- und Massendiffusionskoeffizienten von Mischungen bestehend aus Aceton, Benzol, Benzol-d1, 1,3,5-Benzol-d3, Benzol-d5, Benzol-d6, Benzol-13C6, Cyclohexan, Cyclohexan-d12, n-Hexan, Isobutylbenzol, Toluol, 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin, Dodekan und 1,6-Dibromhexan wurden bei einer Temperatur von 25°C gemessen. Zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Soretkoeffizienten und seines Isotopeneffekts wurden für die Mischungen der verschiedenen Benzolen und des 1,6-Dibromhexan in Cyclohexan und Cyclohexan-d12 zusätzlich Messungen im Temperaturintervall von 15°C bis 35°C durchgeführt. Der Isotopeneffekt des Soretkoeffizient bei Perdeuterierung des Cyclohexans ist für alle untersuchten Mischungen unabhängig von der Konzentration und mit Ausnahme des polaren Acetons in etwa gleich groß. Die Temperaturabhängigkeit des Soretkoeffizienten ist für die untersuchten Mischungen im betrachteten Temperaturintervall linear und variiert mit der Konzentration. Der Isotopeneffekt des Soretkoeffizienten bei Perdeuterierung des Cyclohexans ist temperaturunabhängig. In der Mischung Benzol in Cyclohexan wird eine Konzentration gefunden, bei welcher der Soretkoeffizient endlich und temperaturunabhängig ist. Der Soretkoeffizient kann in zwei additive Beiträge aufgespalten werden. Der erste Beitrag ist der konzentrations- und temperaturabhängige chemische Beitrag. Er lässt sich in eine von der Konzentration abhängige Funktion, die mit einem temperaturabhängigen Amplitudenfaktor versehen wird, faktorisieren. Das Verschwinden der konzentrationsabhängigen Funktion, und somit des chemischen Beitrags, führt zu dem in dieser Arbeit erstmals beschriebenen temperaturunabhängigen Fixpunkt. Der zweite Beitrag ist der Isotopenbeitrag, der unabhängig von der Konzentration und der Temperatur ist. Er besteht aus zwei Summanden, von denen der eine von der Masse, der andere von den Trägheitsmomenten der Komponenten der Mischung abhängt. Auch Literaturdaten können über den gesamten Konzentrations- und Temperaturbereich sehr gut mit vorgeschlagenen Separationsansatz beschrieben werden. Für alle betrachteten Mischungen ist der konzentrationsunabhängige Amplitudenfaktor etwa gleich groß und meist wird ein temperaturunabhängiger Fixpunkt gefunden. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht die sich mit der Temperatur ändernde Konzentration, bei der der Soretkoeffizient verschwindet, sondern die Konzentration des temperaturunabhängigen Fixpunktes besonders ausgezeichnet ist. Weiterhin wird eine einfache additive Mischungsregel für den Soretkoeffizienten untersucht, die nur auf Eigenschaften der Reinsubstanzen der Mischung basiert. Für äquimolare Mischungen, die näherungsweise ideal sind, können die einzelnen Substanzen nach diesem Konzept in einer Reihe ansteigender Thermophobie angeordnet werden. Es wird eine gute Übereinstimmung zwischen vorhergesagten und gemessenen Soretkoeffizienten gefunden. Andererseits wird gezeigt, dass dieses Konzept nicht zur Vorhersage der Konzentrationsabhängigkeit des Soretkoeffizienten geeignet ist. Der Diffusionskoeffizient ändert sich bei Isotopensubstitution an einer Komponente nur marginal. Die Diffusionskoeffizienten der beiden Mischungen unterscheiden sich über den gesamten Konzentrationsbereich um einen konstanten Faktor. Die geringe Änderung von wenigen Prozent kann mit der kinetischen Theorie erklärt werden, die jedoch keine Auskunft über die Größe des Diffusionskoeffizienten gibt. Darüber liefert für die Grenzfälle unendlicher Verdünnung trotz der vergleichbaren molaren Volumina der Komponenten der Mischungen die Stokes-Einstein Gleichung eine recht gute Abschätzung, solange das gelöste Molekül kleiner ist als ein Lösungsmittelmolekül. Sie ist jedoch ungeeignet, den beobachteten Isotopeneffekt zu erklären. Der Isotopeneffekt des Thermodiffusionskoeffizienten variiert mit der Konzentration und ist proportional zum Diffusionskoeffizienten, so dass sich der konstante Isotopeneffekt des Soretkoeffizienten ergibt. Es zeigt sich, dass sich die thermophoretische Kraft auf ein einzelnes Cyclohexan-Molekül, das in einer beliebigen anderen Flüssigkeit gelöst ist, bei Perdeuterierung dieses Cyclohexan-Moleküls immer um den gleichen Betrag ändert, egal, wie groß die thermophoretische Kraft vorher war. Auch für den Fall eines beliebigen in Cyclohexan gelösten Moleküls, ergibt sich bei Perdeuterierung des Lösungsmittels Cyclohexan immer die gleiche Änderung der thermophoretischen Kraft, wieder unabhängig von der Größe der Kraft zuvor. In beiden Fällen ist die Änderung der thermophoretischen Kraft betragsmäßig gleich groß, aber von unterschiedlichem Vorzeichen.

Esterase 2-oligodeoxynucleotide conjugates as enzyme reporter for electrochemical detection of DNA and identification of bacterial species (2007)

Yiran Wang

Electrical Chip (E-Chip) system offers a fast, sensitive and cost-effective way to detect analyte. To improve its application of nucleic acids detection, a suitable enzyme reporter is expected. Esterase 2 (EST2) from Alicyclobacillus acidocaldarius was introduced and mutated to have an accessible cysteine residue at 118th codon. This esterase was purified by a single-step affinity chromatography with trifluoromethyl ketone as a ligand and covalently conjugated to a 5’-amino modified oligodeoxynucleotide. The purified conjugate served as a reporter enzyme for electrochemical detection of nucleic acids. Being an optimal substrate, p-aminophenylbutyrate exerts maximal signal response to EST2 in E-Chip, as determined by comparison of p-aminophenyl esters with acyl chain length from two to eight carbons. An assay of 15 pM of soluble esterase 2 in 1 ml was obtained exploiting p-aminophenylbutyrate. E-Chip detection of nucleic acids requires three essential steps: immobilization of thiol-modified capture oligodeoxynucleotides onto electrode, recruiting EST2 to electrode vicinity by means of nucleic acids hybridization, and amperometric determination of p-aminophenol produced by EST2 catalytic hydrolysis of p-aminophenylbutyrate. Generally, EST2 reporter allows a detection of approximately one million molecules/0.6 mm2 electrode. EST2 covalently attached by an oligodeoxynucleotide significantly increased the ability of mismatch discrimination as compared to the streptavidin conjugated EST2. Moreover, single nucleotide mismatch in analyte could be reliably discriminated in the set-up, as demonstrated by single nucleotide mismatch in a 49-mer oligodeoxynucleotide as well as in a 510-nucleotide ssDNA. Application of E-Chip to bacterial species identification through 16S rRNA was demonstrated. Escherichia coli and Listeria innocua were easily identified as judged by signals given by rRNA hybridization with species-specific capture ODNs. This system allows a detection of 1,000 Escherichia coli cells. As a further optimization, a stem-loop structured molecular beacon with 5’-thiol and 3’-biotin modifications was synthesized and tested on the chip using EST2-streptavidin as reporter. The presence of target oligodeoxynucleotides complementary to the whole stem-loop sequence enhanced signal for a moderate 2-fold. The future work should focus on combination of continuous flow PCR with EST2-oligodeoxynucleotide conjugate reporter to do faster and more automatic disease related DNA analysis, as well as construction of EST2 based biosensor for toxic agents detection.

Investigations of the geomorphologic and pedologic system of sedimentary vega deposits from Lanzarote (Canary Islands) supported by luminescence dating – important steps towards their palaeoclimatic interpretation (2007)

Hans von Suchodoletz

On Lanzarote (Canary Islands/Spain), sequences similar to loess-palaeosol-sequences from other regions developed in dammed volcanic valleys during the Middle and Late Pleistocene. Based on former investigations, we assumed that these sequences could serve as palaeoclimate archives for the NW-African region, an area characterised by a lack of investigations from continuous terrestrial palaeoclimate archives. The material deposited in the valleys consists of Saharan dust as well as of local volcanic material. Due to their location in valley positions and adjacent strongly eroded slopes it is obvious that these sequences do not represent classic loess-palaeosol-archives. Instead, they must consist of a mixture of in situ aeolian fallout as well as of sediments derived from colluvial input from the slopes. Consequently, prior to a correct palaeoclimatic interpretation the geomorphologic character of the archives and the properties of their sediments must be analysed. Thus, in this study we intensively investigate the geomorphologic and pedologic system, combining geomorphologic mapping and quantitative GIS-calculations with sedimentological-pedological methods (grain size, XRD, rock magnetic und pedologic analyses as well as investigation of micromorphologic properties). Furthermore, we built up a chronostratigraphy using different luminescence-methods (quartz coarse- and fine grain-OSL, polymineral fine grain-IRSL). Fundamental investigations on the bleaching-behaviour of recent Saharan dust and colluvial sediments on Lanzarote demonstrate, that in spite of partial insufficient bleaching of the luminescence signal a dating of the valley-bottom sediments is possible. These datings were supported by a correlation of local kaolinite-contents with iron and kaolinite contents from nearby marine cores as well as a stratigraphic correlation between different profiles. Thus, we could establish a chronostratigraphy for the last 180 ka. We demonstrate that outcropped sediments were deposited almost continuously from the Middle Pleistocen until the Holocene, wheras the uppermost sections of the profiles consist of anthropogenic colluvia which can not be interpreted in a palaeoclimatic way. The alternation of reddish-clayey and yellowish-silty layers tracks changes of soil humidity on Lanzarote rather than variations of the composition of Saharan dust. Due to the colluvial dynamics of the valleys, reddish-silty layers in the valley bottoms are no palaeosoils sensu strictu but mainly consist of colluvial soil sediments originating from pedogenesis on the slopes. These soils as well as unweathered material were eroded and deposited with high frequency and low amplitude. Thus, their sedimentation age in the valley bottoms is close to the primary time of aeolian deposition on the slopes and the formation of pedogenetic properties. These findings allow a palaeoclimatic interpretation of the sediment sequences. We could demonstrate that glacials and stadials were characterised by higher soil moisture than interglacials and interstadials. When comparing our results with other palaeoclimatic studies from a broader region, we can show that the causes for periods of enhanced humidity were westerly cyclones using a more southern way than at recent, as well as lowered sea and air temperatures in the area of the Canary Islands. During some periods, soil humidity was possibly occasionally amplified by a northward advance of the African summer monsoon up to the latitude of Lanzarote. Although we are not able to directly derive palaeoprecipitation values from soil moisture, we can show that maximal precipitation values must have been in the the range of ca. 560 mm/a. Our results demonstrate that during most of the investigated period of the Late Quaternary the climate of Lanzarote was influenced by northern high latitude processes. Furthermore, during most of the investigated period the recent aridity of the island was somewhat mitigated.

Photothermische Strukturierung binärer Polymermischungen (2007)

Albert Voit

In dieser Arbeit wurde Thermodiffusion in der Polymermischung Polydimethlysiloxan (PDMS) und Polyethylmethylsiloxan (PEMS) untersucht. Für das gesamte Einphasengebiet wurden der Diffusion-,Thermodiffusions-, und Soret-Koeffizient mit Hilfe transienter holographischer Gitter gemessen. Es konnte die Divergenz des Soret-Koeffizienten bei der kritischen Zusammensetzung und die kritische Verlangsamung bei Annäherung an die kritische Temperatur beobachtet werden. Der Thermodiffusionskoeffizient ist nahezu konzentrationsunabhängig und zeigt eine leichte Temperaturabhängigkeit aufgrund thermischer Aktivierung. Unter Anwendung des Pseudospinodalkonzepts, welches eine kritische Verlangsamung des Diffusionskoeffizienten bei Annäherung an die Spinodale voraussagt, konnte die ungefähre Lage der Spinodalen bestimmt werden. Außerdem ermöglicht die Verwendung des Pseudospinodalkonzepts eine einfache physikalische Parametrisierung der im gesamten Einphasengebiet gemessenen Transportkoeffizienten. Durch Bestimmung des Thermodiffusionskoeffizienten für verschiedene Molmassen und Konzentrationen konnten die Beiträge der verschiedenen Onsagerkoeffizienten zur Thermodiffusion untersucht werden. Es zeigte sich, das keine Onsagerkoeffizienten zur Beschreibung der Thermodiffusion in Polymermischungen vernachlässigt werden dürfen, wie für Kolloide häufig angenommen wird. Eindrucksvoll konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Gleichgewichtsphasendiagramme in Gegenwart von Temperaturgradienten nicht mehr gültig sind. Durch lokales Heizen der Mischung konnte ein Konzentrationsquench aus dem Einphasengebiet in das Zweiphasengebiet beobachtet werden. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung der thermischen Strukturierung unter Ausnutzung von Thermodiffusion, welche zum ersten Mal im Einphasengebiet demonstriert werden konnte. Zur quantitativen Auswertung dieser Konzentrationsmodulationen wurde ein Phasenkontrastmikroskop aufgebaut. Mit Hilfe des entwickelten Aufbaus war es möglich beliebige Strukturen im Ein- und Zweiphasengebiet mit Hilfe eines fokusierten Laserstrahls einzuschreiben und zu beobachten. In einer detaillierten quantitativen Analyse wurde die Laserleistungs- und Temperaturabhängigkeit einer eingeschriebenen Linie im Einphasengebiet untersucht. Je größer der Temperaturabstand zur kritischen Temperatur ist, desto geringer ist die erreichbare Konzentrationsverschiebung in der Probe. In Übereinstimmung mit den gemessenen Soret-Koeffizienten nimmt die maximale Modulationstiefe bei Annäherung an die kritische Temperatur stark zu. Aufgrund der kritischen Verlangsamung nimmt jedoch auch die Zeit zur Ausbildung der maximalen Modulationstiefe bei Annäherung an die kritische Temperatur zu. Durch die Bereitstellung einer Parametrisierung der Transportkoeffizienten im gesamten Einphasengebiet konnte von A.Krekhov eine numerische Simulation der thermischen Strukturierung durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass neben dem Soret-Koeffizienten vor allem solutale Konvektion die maximale Modulationstiefe beeinflusst. Außerdem bildete sich durch die Verwendung von Saphirfenstern ein großer Temperaturgradient zu den Fenstern hin aus, welcher die Entstehung einer PEMS Schicht an diesen verursacht. Unter Berücksichtigung des Aspektverhältnisses der erzeugten Phasenobjekte durch einen geometrischen Faktor, zeigten die Ergebnisse der Simulation eine exzellente Übereinstimmung mit dem Experiment. Mit diesem detaillierten Verständnis über Thermodiffusion in einer Polymerschicht könnte thermische Strukturierung zur Erzeugung von transienten Wellenleitern, Phasenplatten und Fresnel Linsen verwendet werden. Ebenfalls wurden in dieser Arbeit verschiedene Konzentrationsmodulationen einer Polymermischung im Zweiphasengebiet untersucht. Zylindersymmetrische Strukturen erwiesen sich als äußerst stabil. Linienartige Strukturen sind nicht stabil und streben stets diesen zylindersymmetrischen Formen entgegen. Aufgrund der schnellen Dynamik, verglichen mit der Entmischungsdynamik in der Probe, können Oberflächen- und Grenzflächeneffekte als treibende Kraft identifiziert werden. Erstmals wurde auch versucht, die theoretisch vorhergesagte forcierte Entmischung im Experiment zu überprüfen. Zur Erzeugung einer periodischen Struktur wurden hierzu bis zu 21 parallele Linien dem Zweiphasengebiet aufgeprägt.

Theoretical and Computation Basis for CATNETS - Annual Report Year 3 (2007)

Daniel Veit Georg Buss Björn Schnizler Dirk Neumann Werner Streitberger Torsten Eymann

In this document the developments in defining the computational and theoretical framework for economical resource allocation are described. Accordingly the formal specification of the market mechanisms, bidding strategies of the involved agents and the integration of the market mechanisms into the simulator were refined.

Soil microbial community structure and function of agriculturally used Mollisols in the periurban area around Buenos Aires, Argentina, with emphasis on pesticide and heavy metal contamination (2007)

Thorsten Ullrich

Buenos Aires, the capital of Argentina is surrounded by an agricultural green belt with fertile Mollisols, which provides the entire supply especially for vegetables of the city. The fast growing population is causing a decrease in the agriculturally available area on the one hand and also a higher demand for food on the other hand. Therefore, an intensification of agriculture and the maintenance of sustainable soil fertility are of essential importance. However, the population is increasingly concerned about an environmental contamination because of an enhanced application of pesticides and heavy metal containing fertilisers in the course of which organic management systems are getting increasing attention. The green belt is agriculturally used in manifold ways. Besides fallows and pastures, organic and conventional cultivations are conducted on open fields and under greenhouses, while also anthropogenically unaffected areas with soils representing a reference for natural soil condition still exist. The objectives of this dissertation were to examine whether inputs of pesticides and heavy metals cause soil pollution and whether the different land use systems lead to an alteration of soil microbial community structure and function. Additionally, it was investigated whether conventional cultivation leads to a soil quality deterioration and if a replacement by organic cultivation can improve this situation. With the aid of a field experiment it was also tested whether land use conversion from a fallow to typical management systems influences soil microbiology, why special emphasis was put on conventional as well as on organic cultivation and pesticide application. Exclusively in top soils of conventionally managed fields pesticides were quantified up to 34.2 µg/kg. The mean heavy metal concentrations did not differ significantly from natural background contents and between the diverse land use systems. A contamination hazard coming from pesticides and heavy metals was regarded as low and consequently, no risk potential for the ecosystems were expected. For the characterisation of the soil microbial community structure and function in soils of the different land use systems twenty phospholipid fatty acids and the following parameters were examined, respectively: enzyme activities (acid phosphatase, arylsulfatase, cellulase, dehydrogenase and urease), basal and substrate-induced respiration, soil microbial biomass, metabolic quotient, net nitrogen mineralisation, net nitrification and potential denitrification. Two principal component analyses were carried out, one for the structural and one for the functional parameters. For the first ones six microbial taxonomic groups were distinguished, while for the latter four principal components (microbial capacity, mineralisation activity, nitrogen transformation potential and metabolic activity) were extracted. With the aid of a subsequent discriminant analysis calculated by the functional data six independent land use groups could be differentiated. Nearly all soils of conventionally managed greenhouses as well as those of organically managed greenhouses and agricultural fields, pastures and the reference were allocated to the expected groups. Only soils of conventionally managed agricultural fields and fallows were combined into one group exhibiting high similarities between these two land use systems. All microbial taxonomic groups showed a reduction in biomass due to agricultural use, while a shift of relative contributions to the total biomass was hardly observable. A differentiation of the land use systems by a discriminant analysis calculated by the structural data was not possible. In the field experiment with the aid of two discriminant analyses calculated by both the data of the structural and the functional parameters it could clearly be distinguished between conventionally and organically managed as well as non-treated and fallow soils. However, a differentiation between soils of the same management with respect to different pesticide applications and varying application amounts was not possible. Finally, correlations between phospholipid fatty acid contents of all analysed microbial taxonomic groups and soil microbial functional parameters were found indicating close connections between soil microbial community structure and function. Hence, the microbial community composition on its own is of no indicator value for soil quality and has to be combined with functional properties. Recapitulatory, it can be concluded that the Mollisols of the green belt around Buenos Aires are not sensitive against intensive agricultural utilisation.

Glasbildende Sternmoleküle für photoschaltbare cholesterische Phasen (2007)

Rüdiger Ulbrich

Die vorliegende Arbeit beschreibt photoschaltbare cholesterische Phasen. Die cholesterische Struktur kann durch Zumischen einer chiralen Verbindung zu einer nematischen Phase induziert werden. Der Anteil des zugegebenen chiralen Hilfsstoffes bestimmt dabei die Ganghöhe der cholesterischen Helix und damit die Reflexionswellenlänge, denn eine herausragende Eigenschaft von cholesterischen Phasen ist die selektive Reflexion von zirkularpolarisiertem Licht. Befindet sich nun die Ganghöhe im Bereich des sichtbaren Lichtes, dann können farbige Proben erzeugt werden. Die Farbe des reflektierten Lichtes ist auch abhängig vom Betrachtungswinkel. So verschiebt sich die Wellenlänge mit zunehmender schräger Betrachtung zu kürzeren Wellenlängen. Dieses Verhalten wird auch als „Farb-Flop“ bezeichnet. Photoschaltbare cholesterische Phasen erhält man, indem zusätzlich photochrome Verbindungen zugemischt werden. Das chirale und das photochrome Element können auch in einem Molekül vereint sein. Ebenso kann der Flüssigkristall bereits cholesterisch sein, sodass das Zumischen der chiralen Komponente entfällt. Unabhängig davon, wie die cholesterische Phase erzeugt wird, muss auf jeden Fall ein photochromes Element vorhanden sein. Wird nun die cholesterische Phase mit Licht geeigneter Wellenlänge bestrahlt, dann führt dies beim Photochrom zu einer Isomerie, z. B. trans-cis-Isomerie. Die dadurch veränderte Molekülgeometrie wiederum führt, im Falle einer chiral-photochromen Verbindung, zu einer Veränderung der helikalen Ganghöhe und damit der Reflexionsfarbe, da sich die Verdrillungsstärken der zwei Isomere unterscheiden. Über die Belichtungszeit kann nun das Ausmass der Isomerie und damit die Farbe der Probe gesteuert werden. Damit sich die bestrahlten Bereiche nach der Belichtung nicht mehr verändern können, ist eine Fixierung nötig. Dazu können die verwendeten Moleküle mit polymerisierbaren Gruppen versehen werden. Durch die Polymerisation resultiert ein Polymernetzwerk, das aber auch keine nachträgliche Änderung der cholesterischen Phase mehr zulässt. Soll jedoch eine nachträgliche Veränderung möglich sein, dann muss die Fixierung der helikalen Struktur durch Abkühlen einer glasbildenden Matrix unter die Glasübergangstemperatur erfolgen. Bei einer auf diese Weise fixierten cholesterischen Phase kann dann bei Temperaturen oberhalb des Glasübergangs die helikale Ganghöhe durch Isomerisierung des Photochroms verändert werden. Eine glasbildende flüssigkristalline Matrix kann erhalten werden, wenn mehrere mesogene Einheiten über einen flexiblen Spacer miteinander zu Sternmolekülen verknüpft werden. Denn von Sternmolekülen ist bekannt, dass bei ihnen die Kristallisation aus sterischen Gründen gehindert ist und ein stabiler Glaszustand möglich ist. Daher wurden ausgehend von den Ergebnissen von T. Pfeuffer [133, 142] verschiedene Sternmoleküle synthetisiert, von denen zwei für die Verwendung in photoschaltbaren cholesterischen Phasen geeignet sind. Als photochrome Dotierstoffe wurden neben achiralen 4,4’-Dialkylazobenzolen 1 – 6 auch zwei chirale Menthon-Derivate 27 und 28 hergestellt. Sowohl die 4,4’-Dialkylazobenzole als auch die Menthon-Derivate können mit UV-Licht (~365 nm) isomerisiert werden. Dies führt zu der angesprochenen Geometrieänderung, die wiederum die helikale Ganghöhe verändert und damit zu einer veränderten Reflexionswellenlänge führt. Die Re-isomerisierung ist im Fall der Azobenzole sowohl thermisch als auch photochemisch (> 420 nm) möglich. Die Menthon-Derivate dagegen können nur thermisch re-isomerisiert werden. Bei den Menthon-Derivaten 27 und 28 sind chirales und photochromes Element in einem Molekül vereint und die photochrome Reaktion findet sehr nah am chiralen Zentrum statt. Die Isomerisierung der Doppelbindung führt zu einer um den Faktor 10 kleineren Verdrillungsstärke, wofür die Methylgruppe des Menthons hauptsächlich verantwortlich ist. Für eine hohe Verdrillungsstärke muss sie sich genau an dieser Position befinden und zusätzlich auch (R)-konfiguriert sein. Die Bestrahlung mit UV-Licht führt nun dazu, dass die Methylgruppe ihre Position zum Aromaten verändert und bewirkt dadurch den Verlust der hohen Verdrillungsstärke des Menthon-Derivates. In dieser Arbeit konnten drei cholesterische Phasen entwickelt werden, bei denen durch Bestrahlung des chiralen Photochroms mit UV-Licht die Reflexionswellenlängen vom kurzwelligen zum langwelligen sichtbaren Spektralbereich verschoben werden können. Die Schaltzeiten der Systeme 1 und 2 sind deutlich kürzer als die von vergleichbaren polymeren Systemen, die bis zu 160 Minuten betragen können. Ebenso konnte durch den Einsatz der glasbildenden Sternmoleküle die Stabilität der flüssigkristallinen Phasen verbessert werden, da den meisten niedermolekularen Systemen die fixierende Eigenschaft der flüssigkristallinen Matrix fehlt und daher die eingeschriebenen Informationen bereits nach 20 Minuten bis 48 Stunden meist wieder verloren gehen.

Phosphate nutrition in the Ricinus communis L. seedling (2007)

Dang Khoa Tran

Phosphate (Pi) is one of the essential macronutrients required for growth and development of plants. Pi plays an important role in various metabolic processes, such as photosynthesis, respiration, energy conservation, carbohydrate metabolism and signal transduction. Although various Pi starvation induced genes have been isolated from different plant species grown under conditions of Pi starvation, information about their functions during germination and growth of seedlings is still lacking. During germination Pi stored in the endosperm is mobilized and transported to growing organs of seedlings, thus a phosphate transporters and acid phosphatases are expected to be involved in these processes. The aim of this study was to clarify the translocation of Pi within the seedlings and to identify the involvement of phosphate transporters and acid phosphatases in the growth of seedlings. Uptake into the phloem was analyzed by incubating the cotyledons in Pi. The movement of 32P-labeled applied as an inorganic phosphate (Pi) was detected from the cotyledons to the hypocotyl, in particular to its apical hook near the cotyledons, suggesting that Pi moves from the Ricinus communis L. cotyledons through the hypocotyl via phloem and partially re-circulates in the xylem or leaks out through the roots. Therefore reducing the efflux could be as important for the plant as increasing the efficiency of the uptake mechanism. Following the Pi uptake into the roots, the translocation of 32P-labeled Pi to the cotyledons through the hypocotyl via the xylem showed that a high amount of radiotracer accumulated in the cotyledons. The accumulated Pi in the cotyledons can be retranslocated to the roots via phloem. This work describes the cloning of the phosphate transporter RcPT1 and the acid phosphatase RcPS1 genes by RT-PCR from Ricinus seedlings grown under Pi starvation conditions. Phosphate transporter RcPT1 contains an open reading frame encoding a 530 amino acid polypeptide with a calculated molecular mass of 59 kD. The expression of RcPT1 in the yeast high-affinity phosphate transporter mutant strain complemented the mutant and enhanced the cell growth significantly. Southern blot analysis showed that the RcPT1 gene is present as a single or low-copy gene in the Ricinus genome. The transcripts of RcPT1 were expressed in the endosperm, cotyledons, hypocotyl and roots during germination. In detail in situ hybridization studies revealed RcPT1 expression in the adjacent area of endosperm to cotyledon, in the phloem and in the lower epidermis of cotyledons; Immunolocalization analysis showed RcPT1 accumulation at the same sites as its mRNA. In addition, RcPT1 transcripts were also found in the phloem of hypocotyl, and the epidermis and the steles of roots. These results implicated that RcPT1 is involved in the movement of Pi from endosperms to cotyledons and the redistribution of Pi within seedlings via phloem during germination. Acid phosphatase RcPS1 shows a 747 bp open reading frame encoding a 248 amino acids polypeptide with a calculated molecular mass of 27,5 kD. The amino acid sequence of RcPS1 shares significant similarity with the acid phosphatase LePS2 from tomato and highly conserved motifs, which are typical for a member of haloacid dehalogenase and DDDD superfamilies of enzymes catalyzing a diverse number of hydrolytic and phosphotransferase reactions. The functional analysis after expression of RcPS1 in E.coli showed significant acid phosphatase activity. The high transcript level of RcPS1 in endosperms, cotyledons and roots at the first few days of germination suggested that this acid phosphatase gene might be expressed during mobilization of storage products. RcPT1 and RcPS1 mRNA are detectable in the seedlings grown under Pi starvation and Pi sufficient conditions, indicating that both genes were expressed independently from exogenous Pi supply during germination. Moreover, RcPT1 and RcPS1 were expressed in leaves, stems and roots of plants grown under Pi starvation; furthermore, in situ hybridization studies localized RcPT1 and RcPS1 mRNA in the epidermis and the stele of roots of Pi-starved plants, suggesting that these genes also play a role in response to Pi starvation. Thus, it is concluded that there are different signals regulating RcPT1 and RcPS1 expression in response to Pi starvation and during germination.

Refine

Author

Year of publication

Document Type

Language

Keywords

Institute

114 search hits