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A Study of Magnetic Helicity in Decaying and Forced 3D-MHD Turbulence (2009)

Shiva Kunar Malapaka

This thesis presents a numerical study of a property of three dimensional magnetohydrodynamic (3D-MHD) turbulence, namely, inverse cascade (spectral transport from small scales to large scales) of magnetic helicity. Magnetic helicity is defined as the volume integral of the dot product of the magnetic field and the magnetic vector potential. It characterizes the linkage and twists of the magnetic field lines. The inverse cascade is believed to be one of the causes of large-scale magnetic structure formation in the universe. This numerical studies is aimed at understanding how the inverse cascade of magnetic helicity effects other quantities of the turbulent flow. Two setups, namely, forced turbulence and decaying turbulence are studied. In the forced case, the numerical simulation setup consists of an initial energy distribution and a forcing localized in the small scales. The decaying setup consists of an initial energy distribution in the intermediate scales, which is allowed to decay naturally. The analysis of the results shows that several quantities in the turbulent flow, show self-similar behavior in their spectra, giving rise to power laws, which were hitherto unknown. Some of the quantities which are known to show power law behaviors exhibit different values to the power law exponents. These power law behaviors are analyzed together with the dimensional analysis of the eddy damped quasi normal Markovian (EDQNM) approximation equations, to attain a new relation which explains the evolution of large-scale magnetic structures in both the turbulent setups. The results are substantiated by the analysis of structure functions, probability density functions and correlation functions. Visualization of real space structures is also carried out. A mechanism to achieve large-scale magnetic structures from random small-scale magnetic fluctuations involving both the forced and decaying turbulences, is suggested.

A Survey on Reputation Systems for Artificial Societies (2009)

Tina Balke Stefan König Torsten Eymann

The Internet has caused a revolution in trading. Especially cheap items are now easy to buy and sell on the Internet. As a consequence, sellers nowadays offer a wide range of products on the web, creating an abundance of choice for consumers. Consumers have the opportunity to browse on different auction sites for the item they really want. Along with this success story, however, came the stories of people being cheated by fraudulent online sellers. These frauds cover a range from not delivering what has been promised, the overrating of a product´s condition, to deliberate acts of theft. They are a result of so-called asymmetric information. Trust and reputation mechanisms are intended to address this asymmetric information distribution. This article surveys the most common trust and reputation systems.

Aminopyridinato-Ligand-Stabilized Lanthanoid Complexes: Synthesis, Reactivity, Ethylene and Isoprene Polymerization (2009)

Christian Döring

The aim of the present thesis was the synthesis and complete characterization of aminopyridinato-ligand-stabilized complexes of the lanthanoids. The lanthanoid complexes were synthesized by amine or alkane elimination. The thus obtained compounds were investigated in regard to their properties as precatalysts for the polymerization of ethylene or isoprene und their ability to form hydrido complexes or cations. Previous investigations carried out in our group have shown that aminopyridinate-stabilized organoyttrium cations exhibit very high activity in the polymerization of ethylene in the presence of aluminium alkyl compounds. This work showed that the thereby used precursor [Ap*Y(CH2SiMe3)2(thf)] can selectively react with phenylsilane or hydrogen to a novel trinuclear lanthanoid alkyl hydrido cluster. The corresponding lutetium derivative reacts analogous to the yttrium compound. The lanthanoid alkyl hydrido clusters were characterized by X-ray structure analyses, and the presence of the hydrid ligands were clearly proved by 1H NMR spectroscopy. Dialkyl complexes, stabilized by aminopyridinato ligands, react with anilinium borate to yield organolanthanoid cations after alkane elimination. They were isolated and characterized as thf adducts. The dibenzyl complexes of scandium and erbium were characterized by single crystal structure analyses. The dialkyl complexes of scandium are selective and active catalysts for the 3,4-selective polymerization of isoprene after activation with borates. We could even obtain isotactically enriched 3,4-polyisoprene through appropriate choice of the polymerization conditions (cocatalyst, polymerization temperature). The aminopyridinate-stabilized diamide of scandium can polymerize isoprene in the presence of anilinium borate and trialkylaluminium compounds, to obtain a polymer with a high cis-1,4-content. The dialkyl compounds of yttrium, erbium and lutetium are also suitable precatalysts for the initiation of the polymerization of isoprene. Although the 3,4-polyisoprene content decreased with an increased ionic radius of the trivalent lanthanoid, the cis-1,4-content increased. Addition of aluminium alkyl compounds leads to drastical changes of the microstructure of the obtained polymer which depends on the sterical demand of the alkyl ligand of the aluminium compound and the polymerization temperature. The synthesized aminopyridinato-ligand-stabilized bis(trimethylsilylmethyl) complexes are also suitable precatalysts (with exception of the ytterbium compound) for the polymerization of ethylene in the presence of ammonium borates and aluminium alkyl compounds. In contrast to the scandium derivative, the erbium, lutetium and yttrium compounds show characteristics of a CCTP catalyst. The activity is significantly dependent on the size of the lanthanoid ion, the highest activity was observed for the organoerbium cation. Because of the extreme air and moisture sensitivity as well as the thermal instability of the used trialkyl lanthanoid complexes, we searched for an alternative starting material. Hence, the triamide complexes of the composition [Ln{N(SiHMe2)2}3(thf)x] (x = 1, 2) proved to be suitable starting materials due to their facile synthesis and thermal stability. The reaction of these triamides with the bulky aminopyridines, used in this work, lead to the monosubstituted aminopyridinate-complexes after amine elimination. These are not suitable starting materials for the generation of catalysts for the coordinative chain transfer polymerization. NMR investigations of the reactivity with triethylaluminium and diisobutylaluminium revealed a fast and irreversible transfer of the aminopyridinato-ligand from the lanthanoid metal to the aluminium atom. This ligand transfer precludes the use of these amide complexes as suitable precursors for the CCTP, because of their deactivation during the alkylation step.

Analyse der physiologischen Funktion von Mitgliedern der Rieske-Typ Eisen-Schwefel-Proteinfamilie in der inneren Plastidenhülle (2009)

Sandra Bartsch

Höher entwickelte Pflanzen enthalten eine Superfamilie von non-Häm Oxygenasen, deren Mitglieder über identische, konservierte Rieske- und mononukleare Fe-Bindungsdomänen verfügen. Diese Familie umfasst Tic55, PAO, CAO, CMO und ein 52 kDa schweres Protein (PTC52), welches in Assoziation mit dem Präkursor NADPH:Protochlorophyllid (Pchlid) Oxidoreduktase A (pPORA) Translocon vorliegt. Die Expression von AtCAO cDNA in Synechocystis, welches kein CAO-Gen enthält, führte zur Bildung von Chlorophyll b (Chl b) und geringen Mengen an Pchlid b. Pulse labeling Experimente mit dem isolierten PTC-Komplex und dem Pchlid Präkursor 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) zeigten, dass PTC52 als Pchlid a Oxygenase agiert. Die gekoppelte in vitro Transkription/Translation von Arabidopsis CAO (AtCAO) bzw. PTC52 (AtPTC52) cDNAs führte zur Bildung von katalytisch aktiven Proteinen, wobei CAO Chlid a in Chlid b umwandelte, wohingegen PTC52 die Umwandlung von Pchlid a zu Pchlid b katalysierte. In Kotyledonen von Gerste und Arabidopsis ist der Import von pPORA von Pchlid abhängig. Während der Membran-Passage interagiert pPORA mit Komponenten des PTC-Komplexes und bildet dabei sog. „junction“-Komplexe zwischen äußerer und innerer Plastidenhülle. CAO wird als größeres Präkursor-Protein synthetisiert, über den Standard-Import-Komplex in den Intermembran-Raum importiert und liegt in seiner prozessierten Form als intrinsisches Protein der Thylakoid-Membranen bzw. der inneren Plastidenhülle vor, wo es mit Tic40, Tic22 und Tic20 interagiert und einen neuen Tic-Subkomplex bildet. Weitere Analysen mit Chloroplasten der Chlorina Mutanten ch1-3 (kein funktionelles CAO-Gen; keine Akkumulation von Chl b bzw. LHC-Proteinen) zeigten keinen Import von pLhcb1 (= Präkursor des LHCII-Apoproteins) bzw. pLhcb4 (= Präkursor des CP29-Apoproteins). PTC52 wird als größeres, ca. 57 kDa schweres Vorstufenprotein synthetisiert, in Chloroplasten importiert und zur endgültigen Größe prozessiert. Das reife, 52 kDa schwere Protein wurde als intrinsisches Membranprotein der inneren Plastidenhülle identifiziert, wo es mit PTC130, PTC90, PTC16/Oep16 und PTC33/Toc33 interagiert und einen funktionellen Protein-Import-Komplex (PTC-Komplex) bildet. Während des substratabhängigen Imports von pPORA katalysiert PTC52 die Oxygenierung von Pchlid a zu Pchlid b. DEPC agiert, indem es konservierte His-Reste im Rieske-Fe-S-Cluster ethoxyformyliert. Während bei geringen DEPC-Konzentrationen allein der Import von pPORA inhibiert war, war dieser in Anwesenheit von 1 mM DEPC nicht nachweisbar, wohingegen die Translokation von Tic55-Import-Substraten um ca. 10 % verringert war. Dies bestätigte die Beteiligung der His-Reste am katalytischen Mechanismus von PTC52 und Teil des PTC-Komplexes. Anhand von zwei PTC52-knockout-Linien (SALK_011945 und SAIL_148.HC5) wurde gezeigt, dass loss-of-function-Mutationen im Arabidopsis PTC52-Gen zu einem embryoletalen Phänotyp führten, so dass heterozygote AtPTC52/Atptc52-Pflanzen zur Analyse der Bedeutung von PTC52 in planta herangezogen wurden. Diese Keimlinge waren empfindlicher gegenüber einer Belichtung, was durch die geringeren Mengen an „light-harvesting“ POR-Pchlid (LHPP) – Komplexen im Prolamellarkörper der Etioplasten erklärbar war. Durch Pigmentanalysen konnte sowohl Pchlid a als auch Pchlid b in Wildtyp-Keimlingen identifiziert werden, wobei deren relative Anteile in AtPTC52/Atptc52-Pflanzen in Richtung Pchlid a verschoben waren. Zusätzlich waren ein Rückgang der Chl-Akkumulation, ein verändertes Chl b/Chl a-Verhältnis und eine Verringerung der LHCII-Mengen während des frühen Ergrünens erkennbar. Mittels Affinitätschromatographie wurden Tic55, PTC52 und PAO als Thioredoxin (Trx)-Targets in der inneren Plastidenhülle identifiziert. Abgesehen von konservierten Rieske- und [2Fe-2S]-Clustern weisen diese Proteine ein CxxC-Motiv auf. Aktivitätsmessungen in An- bzw. Abwesenheit von stromalem Trx f bzw. Trx m lassen darauf schließen, dass PTC52 und PAO aus Gerste reversiblen Oxidations/Reduktionsvorgängen, vermittelt durch redox-aktive SH-Gruppen, unterliegen, wobei die reduzierte Form eine höhere Aktivität aufweist. Um zu verifizieren, ob Trx die Aktivität von Tic55, PTC52 und PAO als Reaktion auf die Licht-Dunkel-Regulation und/oder oxidativen Stress regulieren könnte, verglichen wir die In-Vitro-Import-Kapazitäten der verschiedenen Import-Komplexe in tigrina d12 – Chloroplasten, die aus Pflanzen stammten, die entweder unter kontinuierlichem Weiß-Licht angezogen oder vor der Plastiden-Isolierung verdunkelt bzw. einem Dunkel-Licht-Shift unterworfen worden waren. Tic55, PTC52 und PAO reagierten sensitiv gegenüber einer oxidativen Kontrolle und waren in wiederbelichteten tigrina d12 – Pflanzen inaktiv. In CAO ist kein CxxC-Motiv vorhanden, so dass CAO weder auf das Thioredoxin-System noch auf oxidativen Stress reagiert.

Analysis of flow patterns and flow mechanisms in soils (2009)

Christina Bogner

Matrix flow and preferential flow can occur concurrently in the same soil. Both flow regimes produce typical flow patterns that can be visualised in dye tracer experiments. To extract quantitative information from dye tracer studies a vast variability of approaches exists. One of them is to describe dye patterns by the so called dye coverage function, i.e. the percentage of stained area per soil depth. Based on extreme value statistics the dye coverage function can be reinterpreted as a probability function to find the tracer in a certain depth. Therefore, the two-parametric probability distribution 1 – H, H being the generalised Pareto distribution, can be fitted to the dye coverage function. The form parameter of this distribution serves as a risk index for vertical solute propagation. We did tracer experiments with Brilliant Blue FCF at three study sites: in a Norway spruce forest in southeast Germany, in a tropical mountain rainforest in southern Ecuador and on an agricultural field in southern France. We tested the ability of the risk index to summarise main information obtained in dye tracer studies and characterise flow patterns in different soils. Our results suggest that the risk index is to some degree invariant to changing experimental conditions (such as irrigation rate). The initial soil moisture, however, seems to have a large influence on the risk index. It is difficult to adjust the parameters of the generalised Pareto distribution when the dye coverage function fluctuates or does not decrease monotonically. This might be due to tortuosity of paths, varying flow mechanism or changing soil physical properties. Thus, we restricted the analysis to the lowest part of the profile. Since the theory of the risk index is based on extreme values of vertical solute propagation it is the lowest part of the profile that is the most interesting. We propose to combine the two parameters of the generalized Pareto distribution and to use the complete distribution 1 - H to estimate the risk of vertical solute propagation in soils. Despite a certain resistance to changes of experimental conditions, the risk index is not an intrinsic soil parameter. Since the flow regime in the same soil can be dominated either by preferential flow or by uniform matrix flow, the risk of vertical solute propagation will change. The adjusted parameters of the generalised Pareto distribution will capture the dominant flow regime as reflected by tracer flow patterns. Bearing in mind the boundary conditions of the tracer experiment like irrigation rate, the tracer employed, soil initial moisture or type of vegetation (permanent or seasonal, deep rooted or shallow rooted) it is possible to compare different study sites or to consider the same site at different boundary conditions and to access the risk of vertical solute propagation. Pattern analysis based on the risk index for vertical solute propagation revealed the occurrence of preferential flow at the German study site. To gain insight in flow mechanisms and possible impacts on soil chemistry we analysed soil texture, fine root density, soil bulk density, exchangeable cations, pH and total C and N contents in preferential flow paths and soil matrix. Results from linear mixed-effects models suggested that at this study site roots constituted main preferential flow paths and induced macropore flow, especially in the topsoil. In the subsoil root density decreased and inhomogeneous infiltration from preferential flow paths into the soil matrix caused non-uniform flow. There were no textural differences between the flow domains, but smaller bulk densities in preferential flow paths. This is probably due to a higher soil organic matter content in preferential flow paths. We found smaller pH values, more Ca, more Mg, more C and more N in preferential flow paths. Compared to the adjacent soil matrix, more Al and more Fe (but small absolute amounts) were found in the subsoil where macropore flow along root channels decreases and heterogeneous matrix flow dominates. These distinct chemical properties can be explained by root activity and translocation of solutes and DOC (dissolved organic carbon) via preferential flow paths. During transport along preferential flow paths contact time between DOC and soil is reduced so that DOC is transported to greater depth where it potentially forms organo-mineral associations. If this holds true, preferential flow is a mechanism that promotes C sequestration in subsoil and does not only influence its immediate environment around paths, but also underlying subsoil horizons.

Ansätze zur flexiblen Navigation in Prozessabläufen (2009)

Christoph Günther

Prozessnavigationssysteme oder Workflow Management Systeme (WFMS) sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Betriebe und Organisationen. Aktuell zeigen sich einige Probleme wie Inakzeptanz durch die Benutzer und Effizienzverlust in Betriebsprozessen, da derzeit gängige Systeme starr und unflexibel sind. In dieser Arbeit soll ein wesentlich flexiblerer Ansatz betrachtet werden. Es wird nur noch ein Rahmen vorgegeben, der den Erfolg des Workflow sicher stellt. Die Entscheidung der Prozessschrittabfolge wird hierbei nur beratend unterstützt, dem Benutzer jedoch die Entscheidung überlassen. Das System sucht also alle möglichen nächsten Prozessschritte und schlägt sie dem Benutzer vor. Durch die große Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten sind innovative Ansätze gefordertum ein performantes System zu bieten. In dieser Arbeit werden Probleme aufgezeigt, diskutiert und gelöst um am Ende einen sehr performanten und hochflexiblen Ansatz zur Prozessnavigation vorzustellen.

Atmospheric Distribution and Seasonality of Airborne Polyfluorinated Compounds: Spatial and Temporal Concentration Variations from Ship-and Land-Based Measurements in Northern Germany, the Atlantic Ocean, and Polar Regions (2009)

Annekatrin Dreyer

Per- und polyfluorierte Verbindungen (PFC) sind vielfältig verwendete chemische Substanzen, die mittlerweile weltweit und in allen Umweltmedien nachgewiesen werden konnten. Einige PFC, vor allem Perfluorcarboxylate (PFCA) und Perfluorsulfonate (PFSA), sind persistent, bioakkumulativ und toxisch. Der atmosphärische Transport und Abbau von neutralen volatilen PFCA und PFSA Vorläufersubstanzen könnte die Existenz der persistenten perfluorierten Säuren in quellenfernen Gebieten erklären. Obwohl erste Einzelmessungen von volatilen PFC in Luftproben einen atmosphärischen Transport bestätigten, fehlen bisher Studien, die die Verbreitung dieser Verbindungen umfassend darstellen. Aus diesem Grund wurden räumliche und zeitliche Variationen von PFC-Konzentrationen untersucht. Um PFC in Luftproben im Ultraspurenbereich bestimmen zu können, wurde die analytische Methode optimiert. Schließlich wurden PFC in der Luft auf Glasfaserfiltern (partikuläre Phase) und geeigneten Adsorbtionsmaterialien (Gasphase), hier Polyurethanschaum und XAD-2, angereichert. Neutrale volatile PFC wurden mit Aceton:Methyl-tert-butylether (1:1) extrahiert und mittels GC-MS detektiert. Perfluorierte Säuren wurden mit Methanol extrahiert und mit HPLC-MS/MS detektiert. Die optimierte Methode wurde angewendet, um Fluortelomeralkohole (FTOH), Fluortelomeracrylate (FTA), Perfluoralkylsulfonamide (FASA), and Perfluoralkyl-sulfonamidoethanole (FASE) in der Gas- und Partikelphase sowie PFCA und PFSA in der partikulären Phase zu bestimmen. Die Luftkonzentrationen von PFC wurden in Proben aus verschiedenen Probenahme-kampagnen der Jahre 2007 und 2008 bestimmt. Als Probenahmeplattformen dienten Dauermessstellen bei Hamburg (Deutschland) und verschiedene Forschungsschiffe, die in atlantischen und antarktischen Gewässern sowie der Nord- und Ostsee operierten. Die perfluorierten Säuren (PFCA, PFSA) wurden ausschließlich in geringen Konzentrationen in der partikulären Phase bestimmt. Die Gasphasenkonzentrationen ihrer neutralen volatilen Vorläufer (FTOH, FTA, FASA, FASE) bis zu zwei Größenordnungen höher und variierten zwischen ein und zwei Größenordnungen auf räumlicher und zeitlicher Ebene. PFC Summenkonzentrationen variierten zwischen 4.5 pg/m3 im antarktischen Ozean und 335 pg/m3 in Quellengebieten (marine Luft) und zwischen17 und 972 pg/m3 (permanente Stationen bei Hamburg). Mit durchschnittlich mehr als 80 % dominierten die FTOH das Substanzspektrum in der Gasphase. Perfluoroctylethanol (8:2 FTOH) war die Substanz, die in höchsten Konzentrationen vorgefunden wurde. Die Einzelstoffkonzentrationen in der partikulären Phase lagen meist unter 1 pg/m3. Während einer 14monatigen Probenahmekampagne an zwei Dauermessstationen bei Hamburg wurden die zeitlichen Variationen von PFC Konzentrationen untersucht. Die beobachteten starken Schwankungen über diesen Zeitraum verdeutlichten die limitierte Aussagekraft von Einzelmessungen. Der Konzentrationsverlauf war durch eine fluktuierende Grundlinie gekennzeichnet, die durch einzelne, unregelmäßig vorkommende Ereignisse stark erhöhter Konzentrationen unterbrochen wurde. Diese Ereignisse könnten durch lokale Quellen verursacht worden sein. Die Bereinigung der Zeitreihen von diesen Einzelereignissen führte zu weniger gestörten Konzentrationsverläufen, bei denen die PFC Konzentrationen im Sommer höher als die im Winter waren. Temperaturabhängige Emissionen von diffusen Quellen könnten für diesen Konzentrationsverlauf verantwortlich sein. Die Luftmassenherkunft hatte einen starken Einfluss auf die PFC Konzentrationen dieser Luftproben. Eine Trajektorienanalyse ließ auf westlich und südwestlich von Hamburg gelegene Quellenregionen mit hoher Bevölkerungs- und Industriedichte schließen. Trajektorien-, Korrelations- und Clusteranalysen von Luftproben aus der Deutschen Bucht bestätigten, dass Mittel- bis Langstreckentransport einen wichtigen Einfluss auf das detektierte PFC Niveau in Luftproben aus Norddeutschland und der Nordsee hat. PFC konnten in allen Luftproben von der Arktis bis zur Antarktis nachgewiesen werden, wobei ihre Konzentrationen von kontinentalen und küstennahen Regionen zur offenen See und von Mitteleuropa zu den Polen abnahmen. Die Einzelstoffkonzentrationen waren in der Nordhemisphäre höher als in der Südhemisphäre. Auf Grundlage der zeitlichen und räumlichen Konzentrationsvariationen konnten atmosphärische Verweilzeiten im Bereich von 20 bis 60 Tagen für die analysierten PFC berechnet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Erkenntnisse über atmosphärisch transportierte PFC. Sowohl die atmosphärischen Verweilzeiten als auch die festgestellte weltweite Verbreitung von PFC in der Luft bestätigen, dass diese Gruppe von Chemikalien von hauptsächlich nordhemisphärischen Quellenregionen über weite Strecken in entlegene Gebiete transportiert werden können.

Auswirkungen der RNA-Interferenz auf allatoregulierende Neuropeptide und Lokalisation der B-Typ Allatostatine bei Spodoptera frugiperda (2009)

Manuela Griebler

Zusammenfassung Bei Insekten regulieren Peptidhormone (Neuropeptide) viele physiologische und entwicklungsrelevante Prozesse, wie Wachstum, Häutung, Metamorphose, Reproduktion, Diapause, Fressverhalten und den Metabolismus. Allatoregulierende Neuropeptide hemmen (Allatostatine, AS) oder fördern (Allatotropine, AT) die Juvenilhormonbiosynthese in den Corpora allata, können aber auch andere Funktionen aufweisen, wie z.B. eine myoregulatorische Aktivität. In dieser Arbeit wurde zunächst die Lokalisation der B-Typ Allatostatine [W(X)6W-amide] aus Spodoptera frugiperda immunologisch untersucht. In Gehirnen adulter, 2 Tage alter Weibchen trat eine deutliche Immunfärbung in medianen neurosekretorischen Zellen des Protocerebrums, im oberen Bereich des Zentralkörpers und in den Antennalloben (Glomeruli) auf. In den Thorakal- und Abdominalganglien von Larven des letzten Larvenstadiums wurde eine intensive Färbung im Bereich des Neuropils und eine schwächere Immunreaktion im Bereich der lateral gelegenen neurosekretorischen Zellen beobachtet. Starke Färbung war auch in den Malpighischen Gefäßen sichtbar, die wahrscheinlich der apikalen Membran zwischen den Hauptzellen zuzuordnen ist, sowie im Mitteldarm und in larvalen Hoden. Anschließend wurden die physiologischen Funktionen der bereits charakterisierten allatoregulierenden Neuropeptide AT 2 und AS-C-Typ aus S. frugiperda nach einer Hemmung der Genexpression mittels der RNA-Interferenz Methode untersucht. Es wurden Expressionsstudien durchgeführt, um die Wirksamkeit und die Spezifität der RNA-Interferenz in verschiedenen Geweben zu überprüfen. Zudem wurden die Auswirkungen der RNA-Interferenz auf verschiedene physiologische Parameter untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt der Experimente auf der Regulierung der Juvenilhormonbiosynthese, der Reproduktion, der Verpaarung und der Metamorphose. Nach Injektion und auch nach Fütterung von AS-C- bzw. AT 2-doppelsträngiger RNA (dsRNA) war die Expression der mRNA im Gehirn und Darm von Larven reduziert. Zudem führte die Injektion von AS-C- bzw. AT 2-dsRNA auch bei adulten Weibchen und Männchen unterschiedlicher Altersstufen zu einer Reduktion der Expression im Gehirn. Die Reduktion der Transkription bei Larven ging mit einem erhöhten Juvenilhormon(JH)-Titer in der Hämolymphe der Tiere einher. Dies lässt eine allatostate Aktivität der beiden Peptide zu diesem Zeitpunkt vermuten. Die Folge des erhöhten JH-Titers war eine Verlängerung des letzten Larvenstadiums. Bei adulten Weibchen war der Effekt der Injektion von AS-C- bzw. AT 2-dsRNA auf den JH-Titer vom Alter der Tiere abhängig und variierte innerhalb der JH-Homologen (JH I bis JH III). Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass beide Peptide bei adulten Weibchen unterschiedliche Wirkungen auf unterschiedliche JH-Homologe in spezifischen Stadien der Entwicklung haben. Adulte Männchen hatten nach einer Injektion von AS-C- bzw. AT 2-dsRNA an bestimmten Tagen einen erhöhten JH-Titer. Bei der Verpaarung werden mit der Spermatophore verschiedene Substanzen, darunter auch JH, vom Männchen auf das Weibchen übertragen. Bei mit Ringer injizierten Männchen konnte vor der Verpaarung JH in den akzessorischen Drüsen (AD) detektiert werden. Nach der Verpaarung nahm der JH-Titer in den männlichen AD stark ab. Bei unverpaarten Weibchen war kein JH in der Bursa copulatrix nachweisbar. Wurden die Weibchen jedoch verpaart, konnten große Mengen JH in der Bursa copulatrix gefunden werden. Mit AS-C-dsRNA injizierte Männchen zeigten vor der Verpaarung einen erhöhten JH-Titer in ihren AD, der nach der Verpaarung wieder niedriger war. Die mit diesen Männchen verpaarten Weibchen hatten einen erhöhten JH-Titer in der Bursa copulatrix im Vergleich zu mit Ringer injizierten verpaarten Weibchen. Die Ergebnisse lassen auf eine allatostate Wirkung der AS-C-Peptide auf den JH-Titer in den AD schließen. Bei mit AT 2-dsRNA injizierten Männchen war der JH-Titer in den AD, im Vergleich zu den Kontrollen, sowohl vor als auch nach der Verpaarung erniedrigt, ebenso wie in der Bursa copulatrix der mit diesen Männchen verpaarten Weibchen. Weibchen, die mit AS-C- bzw. AT 2-dsRNA injiziert worden waren, zeigten eine reduzierte Eiablage (Oviposition), ebenso wie Ringer injizierte Weibchen, die mit AS-C- bzw. AT 2-dsRNA injizierten Männchen verpaart worden waren. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Fertilität der Männchen und Weibchen durch Neuropeptide unterschiedlich beeinflusst wird, und damit auch die Eiproduktion und Eiablage der Weibchen. Insektenneuropeptide eignen sich als (Bio)Insektizide, da sie die Physiologie und das Verhalten der Insekten während der Entwicklung und Reproduktion beeinflussen bzw. regulieren. Eine Expression von spezifischen dsRNAs in transgenen Pflanzen, gerichtet gegen allatoregulierende Neuropeptidgene, könnte die gezielte Bekämpfung von Schadinsekten, wie z. B. des Agrarschädlings S. frugiperda, ermöglichen.

Carbon dynamics under natural and manipulated meteorological boundary conditions in a forest and a fen ecosystem (2009)

Jan Muhr

Current climate models predict changes in the amount, intensity, frequency and type of precipitation within this century. These changes are likely to result in an increasing frequency of severe drought periods in summer, causing irregular and extreme drought stress in well-drained soils or a lowering of the water table in water-logged soils. Due to rising temperatures precipitation is more likely to occur as rain rather than snow, resulting in reduced snowpacks in winter. In some regions, this can lead to an increasing frequency of soil frost. In summary, changes in the global water cycle can significantly affect boundary conditions within soils. This thesis investigated the impact of extreme meteorological boundary conditions on CO2 fluxes in two ecosystems in South-eastern Germany. Using a combination of field site manipulation and laboratory experiments we investigated the effects of prolonged summer drought and soil frost on soil C dynamics in a Norway spruce forest. In a minerotrophic fen located nearby, the effect of water table lowering (as a result of summer drought) on ecosystem C dynamics was quantified. Additionally, soil C dynamics at both sites were modeled under current meteorological conditions. For the Norway spruce forest, modeling indicated that soil C turnover predominantly occurred within the organic horizons. During the last decades, the soil has acted as a small sink. The possibility of altered C dynamics at the site due to undocumented liming has to be considered when comparing results presented here to results from other sites. For the fen, modeling revealed that soil C turnover was dominated by processes occurring within the uppermost 15 cm of the peat and that root biomass was a very important soil C stock. Most important, modeling indicated that the fen was turned into a net C source during the last decades, presumably because of disturbance of the hydrological conditions. Results from this fen cannot be regarded as representative for undisturbed peatlands. Soil frost was induced at the forest site by removing the snowpack in the winter of 2005/2006. On the snow removal plots, soil frost occurred down to a depth of at least 15 cm and for several weeks, in contrast to the snow-covered control plots where no soil frost occurred. Soil C losses were significantly reduced not only during the soil frost period but also in the summer of 2006. This phenomenon could be explained by changes in the composition of the microbial community due to soil frost, primarily a reduction of fungal biomass. To investigate the effect of drought on soil C dynamics we experimentally induced prolonged drought at the forest-site by excluding throughfall with a transparent roof during the summers of 2006-2008. Additionally, undisturbed soil columns from the site were subjected to drought in the laboratory. In both experiments, drought reduced total soil C losses in comparison to C losses from a control. This reduction was mainly owed to decreased soil respiration rates during the actual drought period, but water repellency also hindered rewetting of the dry soil, thus further prolonging the period of reduced soil respiration rates. In the past, mobilization of stabilized C due to drying-wetting has been repeatedly discussed as a possibility to actually enhance soil C losses. In the studies presented here, no evidence for this assumption was found. Soil C mineralization rates were reduced during drought and recovery was slow, possibly delayed by water repellency and preferential flow. At the fen site we used two approaches: (i) Experimental lowering of water tables to measure resulting C fluxes in comparison to C fluxes under natural conditions (i.e. control plots), and (ii) repeated measurements under varying natural conditions to be able to later statistically identify the main drivers of CO2 fluxes. We included measurements of C uptake and respiration by aboveground vegetation, thus being able to study ecosystem rather than soil C dynamics at the fen site. In summary, the impact of the water table on CO2 fluxes in and out of the fen ecosystem was minimal. Soil respiration was not affected at all by the manipulative lowering of the water table from ca. 15 cm down to more than 60 cm, most likely due to low substrate quality in deeper peat. Measurements of the natural C dynamics indicate that water table could have an impact on soil respiration within the uppermost 0-15 cm of the soil, but predominantly low water tables during summer under current boundary conditions make it unlikely that further lowered water tables due to climate change will markedly affect soil respiration rates at this site. In summary, CO2 fluxes at the site are presumably very resilient towards an increasing frequency of summer drought resulting in lowering of the water table.

Characterization of phase transitions by the analysis of crystal structures (2009)

Joachim Angelkort

In this thesis results of the investigations of the mechanisms of solid-solid phase transitions are reported on basis of the exemplary characterization of the phase transition of the metalorganic compound Eu(SC36H49)2 and of the inorganic transition-metal compounds TiI3 and CrOCl. The phase transitions were surveyed temperature dependently by the performance of single-crystal X-ray diffraction experiments and measurements of the magnetic susceptibility. The X-ray diffraction experiments were carried out as data collections of integrated intensities of reflections and as measurements of profiles on selected reflections in so-called omega-2theta maps. The data sets of the integrated intensities were used to determine the crystal structures at different temperatures. By the comparison of the high- and the low-temperature crystal structures the mechanisms of the phase transitions of the compounds Eu(SC36H49)2 and TiI3 were determined. Furthermore the transition temperatures of all three compounds were determined by temperature-dependent measurements of intensities of superstructure reflections. From the omega-2theta maps the monoclinic lattice distortion of the low-temperature phase of CrOCl was determined.

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