894 search hits
-
Complex nanostructures in triblock terpolymer thin films
(2004)
-
Sabine Ludwigs
- The thin film phase behavior of poly(styrene)-block-poly(2-vinylpyridine)-block-poly(tert-butyl methacrylate) (PS-b-P2VP-b-PtBMA) triblock terpolymers with volume fractions f(PS) : f(P2VP) : f(PtBMA) = 1 : 1.2 : x, with x ranging from 3.05 to 4, is studied with a combinatorial gradient approach. Gradients in film thickness are prepared via thin film flow coating of dilute solutions in chloroform. Upon controlled annealing in nearly saturated solvent vapor the films form terraces of well-defined step height. The dependence between morphology and film thickness is studied with optical microscopy, tapping mode SFM, and SEM. Though showing different morphologies in the bulk, the same sequence of surface structures is found with increasing film thickness for the whole range of compositions: a disordered phase in the thinnest regions, a liquid-like distribution of upright standing cylinders, cylinders oriented parallel to the film, and finally a hexagonally ordered perforated lamella structure (PL) on the first terrace with a thickness of d = (37+3) nm. Higher terraces also exhibit PL as surface structures. Due to the chemical nature of the block components and the particular stoichiometry of the polymer a wetting layer with a PtBMA-rich top layer is formed next to the substrate. By imposing an additional gradient in substrate surface energy, orthogonal to the gradually increasing film thickness, the perforated lamella is shown to be a stable phase, regardless of the chemical nature of the substrate, which makes this structure and methodology robust for application in nanotechnology. The complex phase behavior observed in thin films is supported by mesoscale computer simulations based on dynamic density functional theory. Thin films of the above mentioned triblock terpolymers are modeled as a melt of A3B4C12 Gaussian chains which is confined in a slit with film thickness H. By adjusting the interaction parameters between the polymer components and the surfaces, the experimentally observed sequence of surface structures as function of the film thickness can be successfully modeled. At well-defined film thickness the perforated lamella structure is formed. In analogy with earlier work on a two-component system these structures are identified as surface reconstructions of the bulk structure. In particular, the core-shell PL can be seen as analogue to the PL surface reconstruction of cylinder-forming AB and ABA systems. The influence of film thickness, surface field, and the interaction parameters between the different polymer components on the phase behavior is also explored. A large spectrum of surface structures is observed in analogy to the experiments. Further attention has been given to the perforated lamella structure. This structure can be visualized as P2VP/PS/P2VP lamellae which are perforated by channels of PtBMA interconnecting between two outer layers of PtBMA. A highly ordered PL structure could be prepared with a very small number of defects over an area of about 12 x 4 µm2. Because of the special functionalities of the triblock terpolymer a rather versatile nanostructure was produced. By selective UV-depolymerization of the PtBMA matrix phase, the PL phase might potentially be used for lithographic applications similar to the case of perpendicularly oriented poly(methyl methacrylate) (PMMA) cylinders in PS-b-PMMA block copolymer thin films. Furthermore, a responsive membrane can be created by selective removal of the matrix phase. The remaining PL has a P2VP shell which might be either switched via the pH-value or loaded with metal components. A polymer-analogous reaction of the matrix phase of the PL to poly(methacrylic acid) via acid-catalyzed hydrolysis leads to a pH-responsive nanostructure without altering the overall structure. With SFM in aqueous environment structural changes of the PL phase are studied as function of the pH-value. Upon changing the pH of the surrounding medium a strong swelling of the original film thickness is observed at pH-values > 6 to a maximum degree of 7.5-fold swelling. This swelling is explained with a conformational change of the matrix phase poly(methacrylic acid). The hexagonal arrangement of the pattern is not affected. The first two blocks PS and P2VP act as skeleton of the PL phase which withstands the mechanical forces exerted on the strongly swollen PMAA. In contrast to the PL phase core-shell cylinders oriented parallel to the interfaces cannot withstand these forces and are solubilised at high pH-values.
-
Water in the Earth’s Interior: Thermodynamics and kinetics of hydrogen incorporation in olivine and wadsleyite
(2004)
-
Sylvie Demouchy
- (1) Hydrogen diffusion in olivine The kinetics of hydration of dry single crystals of San Carlos olivine was determined by performing experiments under water-saturated conditions. The experiments were performed at 1.5 GPa, 1000°C for 5 hours in a piston cylinder apparatus, or at 0.2 GPa, 900°C, for 1 and 20 hours in TZM cold-seal vessels. Polarized Fourier-transform infrared spectrometry (FTIR) was employed to quantify the hydroxyl distributions in the samples after the experiments. The new data obtained show a strong anisotropy of diffusion, with the diffusion coefficient D[100]>D[010]> D[001] at 900°C for short duration experiments. This initial mechanism of diffusion possibly involved a redox-exchange between proton and polaron. After longer duration experiment, the anisotropy of diffusion is different with D[001]>D[010]» D[100]. For this second stage of diffusion a model of hydrogen-metal vacancy associated defects is proposed, where the vacancies are the slower diffusing species with the diffusion laws: [100], [010] = 10-(5.6±3.2) exp [-(175 ± 76)/RT] [001] = 10-(1.4±0.5) exp [-(258 ± 31)/RT] (2) Hydrogen diffusion in forsterite The kinetics of hydration linked to magnesium-vacancy diffusion within dry synthetic forsterite single crystals was determined by performing similar experiments and analyses as in the previous section. The experiments were performed at 1.5 GPa, 1000°C for 3 hours in piston cylinder apparatus, or at 0.2 GPa, 900-1110°C, for 3-20 hours in TZM cold-seal vessels. The chemical diffusion coefficients are marginally slower than in iron-bearing olivine for the same diffusion process, but the anisotropy of diffusion is the same, with the [001] axis the fastest direction of diffusion and [100] the slowest. Fits of the diffusion data to an Arrhenius law yield similar activation energies for each of the crystallographic axes; a global fit to all the diffusion data gave an activation energy around 211 ± 18 kJmol-1. Thus hydration likely occurs by coupled diffusion of protons and octahedrally coordinated metal vacancies. The diffusion rates are fast enough to modify water contents within xenoliths ascending from the mantle but they are probably too slow to permit a total equilibration in a new dry or wet environment. (3)Dehydration profiles in natural mantle-derived olivine within basalt First evidence for water diffusion in a natural mantle-derived olivine are presented from peridotite samples. The samples are olivine crystals within lherzolite xenoliths from the Quaternary alkali basalts of the Pali-Aike volcanic field in Patagonia. Water content and distribution was studied using unpolarized and polarized FTIR and analyses shows that olivine, Cr-diopside and orthopyroxene contain a significant amount of water, with up to 13 wt ppm H2O for olivine and up to 250 wt ppm H2O in the pyroxenes. In contrast, analysis of optically clear-parts of small garnet crystals indicates that they are dry. Oriented Infrared profiles show that olivine grains larger than 0.5 mm have hydroxyl-depleted rims. These water concentration profiles suggest that partial dehydration occurred during the ascent of the xenolith-bearing magma to the Earth’s surface, confirming that dehydration is occurring in the nature. From a combination of analyses of natural xenoliths with experimental diffusion works, ascent duration of the host magma is estimated to several hours, suggesting a fast rise up to the surface. (4)Temperature and pressure dependence of water solubility in iron-free wadsleyite Previous experimental studies indicate that the maximum solubility of water in wadsleyite may vary as a function of pressure and temperature. Therefore wadsleyite samples were synthesized using a multi-anvil press. One series of experiments were performed at a fixed pressure of 15 GPa and at various temperatures and in a second series the temperature was fixed at 1200°C and pressure was varied from 13 to 18 GPa. The starting material corresponds to a composition of Mg2SiO4 + 5wt% H2O. The water content was quantified by ion probe (SIMS). Results show that at 15 GPa, the water concentration decreases significantly with increasing temperature from 2.5 wt% H2O at 900oC down to 0.93 wt% H2O at 1400oC; the corresponding wadsleyite Mg/Si ratios increase from 1.79 to 1.93 over this temperature range. Up to 17 GPa, no significant effect of pressure on the water content was observed. Moreover, together with previous results on ringwoodite, these data imply a strong decrease of the water partition coefficient between wadsleyite and ringwoodite with temperature. (5) Computer simulation on hydrous point defect in iron-free wadsleyite The general utility lattice program (GULP), a semi-empirical method, was used to simulate the formation of point defects (Mott-Littleton method) in wadsleyite and especially hydrogen incorporation and their corresponding infrared frequencies.
-
Measuring juvenile hormone and ecdysteroid titers in insect haemolymph simultaneously by LC-MS: The basis for determining the effectiveness of plant-derived alkaloids as insect growth regulators
(2004)
-
Stephanie Westerlund
- Aim of this thesis was to develop a liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) method to monitor hormones and their metabolites in the haemolymph of insects simultaneously. Furthermore, some plant-derived alkaloids were structurally elucidated, which may be used as insect growth regulators thus affecting haemolymph hormone titers in putative pest species. Juvenile hormones (JHs), JH diols and ecdysteroids were easily separated by high performance-liquid chromatography (HPLC) in less than 20 min using a reversed-phase C18 column and a methanol-water gradient. Subjecting the JH-JHBP (juvenile hormone binding protein) complex to HPLC was sufficient in releasing JH from the JHBP. In order to prevent JH from binding to glass surfaces, it was necessary to include a carrier in the solvent. JHs have a high affinity to polypropylene vials and should therefore be avoided, if no carrier is being used, such as triton X-100. The darkening of the haemolymph due to eumelanin production by phenol oxidases served as a visual indicator of general enzyme activity in the haemolymph. Isooctane:MeOH (1:1, v/v) inactivated the phenol oxidase system when used at a solvent-haemolymph ratio of 10. An isooctane:MeOH extract of haemolymph was most efficient in keeping JH distributed evenly in solution and prevented JH from adhering to the glass vessel. JH concentration in standard solutions was reduced with increasing sonication time. Highest ionization of JH was achieved in MeOH for MS compared to ACN or by using formic acid as an additive. In the positive ESI (electrospray ionization) mode the most abundant ions formed in haemolymph extract of Gryllus bimaculatus was the sodium adduct for JHs, JH diols and JH acids. At higher JH concentrations, the potassium adduct was also observed. The sodium and the potassium adducts were present in ecdysteroid analysis. The same ionization pattern was observed in Spodoptera frugiperda, Myrmicaria eumenoides and Acyrthosiphon pisum haemolymph. Method validation of the LC-MS method confirmed reproducibility and repeatability. The LODs for JHs and JH diols were between 6 to 12 pg, and 93 pg for ecdysteroids. 72 haemolymph samples can be processed per day by the LC-ESI-MS method using an autosampler. JH and ecdysteroid titer measurements showed good agreement between haemolymph titers and developmental events in Spodoptera frugiperda and Gryllus bimaculatus larvae and Gryllus bimaculatus adults. In Gryllus bimaculatus female and male last instar larvae, the JH titers were low and steady until day 6. The ecdysone peak maximum shifted from day 3 to a 20-hydroxyecdysone maximum peak on day 5, coinciding with the onset of adult ecdysis. JH III titers increased on day 3 in paired Gryllus bimaculatus males, occurring simultaneously with spermatophore maturation and deposition. A similar response was seen with ecdysone titers. Mated female crickets experienced a JH III titer increase on day 4 which coincides with egg deposit on day 4. Ecdysone titers reach a maximum on day 3 and ovary weights on day 4. Besides JH III, JH I was found in 5 to 8-day old female adult crickets, and in 6 and 7-day old male adult crickets. 20-Hydroxyecdysone was found neither in female nor in male Gryllus bimaculatus mated adults. The “classical” interplay between JHs and ecdysteroids was observed in 5th instar Spodoptera frugiperda larvae. JH titers decreased towards the end of the larval stadium and 20-hydroxyecdysone gave a sharp peak on the last day of the 5th instar. Extremely low levels of JH were measured in 6th instar larvae. 20-Hydroxyecdysone and ecdysone titers increased simultaneously in prepupae. The already known alkaloids arborinine and arborine, and the for the first time isolated 4-methoxy-1-methyl-2(1H)-quinolinone from Glycosmis pentaphylla, were extracted from Glycosmis pentaphylla leaves and are discussed as possible insect growth regulators affecting hormone titers in the haemolymph of insect pest species.
-
Physikalische Eigenschaften anionischer Tensidsysteme mit zweiwertigen Gegenionen und ihre Mischungen mit zwitter-ionischen Tensiden und Cotensiden
(2004)
-
Reiner Beck
- Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit dem Phasenverhalten und den physikalischen Eigenschaften von Magnesium- und Calciumtensiden in wässrigen Lösungen. Durch Zusatz von zwitterionischen Tensiden bzw. Cotensiden wurden interessante und teilweise überraschende Phasenfolgen erzeugt. Die Verwendung von zweiwertigen Gegenionen in ionischen Tensidsystemen bewirkt, im Vergleich zu den einwertigen Systemen, eine Vielzahl von Veränderungen, sowohl im Phasenverhalten, als auch bei ihren physikalischen Eigenschaften. Ein seit langem bekanntes Phänomen ist hierbei die Krafftpunkterhöhung bei Calciumsalzen, die in wässrigen Lösungen bei niedrigen Temperaturen als Präzipitat ausfällt. Tenside mit mehrwertigen Gegenionen besitzen eine niedrigere cmc als ihre entsprechenden einwertigen Salze. In Kombination mit anderen Tensiden oder Cotensiden erhöht sich das Mizellwachstum und es kommt zur Ausbildung von vesikulären und lamellaren Strukturen. Durch die doppelte Ladung ist ein höherer Anteil der Gegenionen mit der Bilayermembran assoziiert. Dies erniedrigt deren effektive Oberflächenladungsdichte signifikant, so daß auf diese Weise ihr Phasenverhalten dem von ungeladenen bzw. elektrostatisch abgeschirmten Systemen ähnelt. Einige Eigenschaften sind daher typisch für nichtionische Tenside – wie zum Beispiel die Bildung von geschwollenen lamellaren Phasen oder sogar von Schwamm-Phasen. Die zweiwertigen Ionen wirken dabei teilweise wie Klammern zwischen anionischen Tensiden. Ihr Phasenverhalten ähnelt dem doppelkettiger Tenside. Durch Zusatz von stark verzweigten Cotensiden ist es in dieser Arbeit gelungen, eine völlig neuartige Schwamm-Phase mit erstaunlichen Eigenschaften aus anionischen Ca/Mg-Tensiden herzustellen. Die bisher bekannte Schwamm-Phase besitzt neben ihrer außergewöhnlichen bikontinuierlichen Struktur eine Reihe interessanter Eigenschaften. Trotz der hohen Konzentrationen der einzelnen Komponenten, ist ihre Viskosität relativ niedrig. Sie weist eine hohe Temperaturempfindlichkeit auf. Auf Grund des relativ engen Existenzbereichs bezüglich des Cotensid/Tensid-Verhältnises sind die technischen Einsatzmöglichkeiten für die Schwamm-Phasen aber sehr eingeschränkt. Durch verzweigte Cotenside ist es gelungen, den Existenzbereich der Schwamm-Phase enorm zu vergrößern, ohne dabei ihre grundlegend positiven Eigenschaften zu verlieren. Diese neue Phase weist all die für eine klassische Schwamm-Phase typischen Eigenschaften auf: die Potenzab-hängigkeiten charakteristischer Größen in Verdünnungsreihen (vgl. Elektrodoppelbrechung), Fließdoppelbrechung, eine niedrige Viskosität und das typische Verhalten bei Neutronenstreu- und NMR- Experimenten, das durch den hohen Unordnugsgrad der isotropen Schwamm-Phase verursacht wird. Den Ähnlichkeiten mit der klassischen Schwamm-Phase stehen, abgesehen vom extrem großen Cotensid/Tensid Existenzbereich, auch eine Reihe von markanten Unterschieden gegenüber. Einer davon ist zum Beispiel die sehr viel höhere Leitfähigkeit der Schwamm-Phase. Diese hängt stark von der Struktur des vermessenen Systems ab. An den FF-TEM-Aufnahmen erkennt man, daß die neue Phase sehr ungeordnete Strukturelemente besitzt. Sie ist geprägt durch Passagen und Brücken, die zwischen den Membranen der Doppelschicht liegen. Die idealerweise getrennten Hälften des bikontinuierlichen Systems sind auf diese Weise für Ionen durchlässig geworden. Auch die Tatsache, daß die neuartige Schwamm-Phase in ionischen Tensiden mit zweiwertigen Gegenionen existiert, ist außergewöhnlich. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß mit stark verzweigten Cotensiden wie EHG oder PPA die Ausbildung komplexer Strukturen trotz ionischer Ladungsträger möglich ist, und das sogar besser, als in Systemen ohne Ladungsträger. Im System DDMAO/EHG/Wasser wurde dies sowohl durch Zugabe des ionischen Tensids Mg(DS)2, als auch durch Zugabe von Salz nachgewiesen. Interessant aus thermodynamischer Sicht ist der Phasenübergang zwischen der Lamellaren-Phase und der Schwamm-Phase im System 50 mM Ca(C14-alpha-MES)2/EHG/Wasser, in dem anscheinend kein Zweiphasengebiet zwischen den strukturell so unterschiedlichen Phasen vorhanden ist. Ein wichtiger Punkt bei der Untersuchung der neuartigen Schwamm-Phase war auch die Erforschung eines eventuellen Übergangszustands zwischen der klassischen und der neuen Schwamm-Phase. im System Mg(DS)2/DDMAO/EHG/n-Hexanol/Wasser. In dieser Arbeit wurden mit Hilfe des Leitfähigkeitsverlaufs die Phasenschemata dieses Fünfstoff-Systems bei unterschiedlichen Zusammensetzungen untersucht. Der beobachtete Übergang zwischen neuer und klassischer Phase erfolgt kontinuierlich.
-
Importance of floral scent compounds for the interaction between Silene latifolia (Caryophyllaceae) and the nursery pollinator Hadena bicruris (Lepidoptera: Noctuidae)
(2004)
-
Stefan Dötterl
- In the present study, the role of floral volatiles for the interaction between the nocturnal Caryophyllaceae Silene latifolia, and the noctuid moth Hadena bicruris was determined. This insect-plant relationship is one of the known nursery pollination systems, where pollinators reproduce within the flowers they pollinate. Silene latifolia is a dioecious weed, native to Europe and formerly introduced to North America. It is the main larval host plant of H. bicruris, which is distributed in Europe and North Africa. Especially night-active moths, among them H. bicruris, which are attracted by the flower scent, pollinate S. latifolia. However, until now, nothing was known about the role of single flower scent compounds for the attraction of the moths. This thesis describes the chemical composition and the geographical variability in the flower scent of S. latifolia. Furthermore, electrophysiological and behavioural tests with floral scent extracts and single authentic standard compounds were carried out in H. bicruris to identify the attractive compounds of the complex floral scent. To get an insight into the role of floral scent in guiding potential pollinators on flowers, the spatial fragrance pattern within the flowers of S. latifolia was determined, additionally. The variability in floral scent was very high, especially between different populations, and different chemotypes were characterised.Typical compounds in floral scent of S. latifolia were lilac aldehyde isomers, trans-beta-ocimene, benzaldehyde, phenyl acetaldehyde, or veratrole. Some of these compounds are known to attract nocturnal Lepidoptera species. To characterise antennal and behavioural responses of H. bicruris to various floral scent chemotypes of S. latifolia, and to S. vulgaris (which is rarely also used as host plant), different S. latifolia extracts, and a S. vulgaris extract were analysed using GC-MS methods. These extracts were further used in GC-FID/EAG and GC-MS/EAG detections, respectively. Main compounds in the tested extracts often elicited main signals in the antennae (e.g. lilac aldehydes, phenyl acetaldehyde). Some compounds elicited main signals in the antennae, though they were only minor components in the extracts (e.g. 3-methyl-butyl-aldoxime, benzaldehyde). Other compounds elicited only weak signals in the antennae, though they were abundant in the extracts (e.g. myrcene, methyl benzoate). The compounds of the most common chemotypes of S. latifolia were very sensitively detected by Hadena bicruris, whereas compounds of less abundant chemotypes were less sensitively detected. Floral scent blends that were dominated by lilac aldehydes or phenyl acetaldehyde effectively attracted moths. Hadena bicruris can electrophysiologically and behaviourally distinguish between its main host plant, S. latifolia, and the similarly scented S. vulgaris, another rarely used larval host plant, only by their floral scent. To identify floral scent compounds of S. latifolia that are important for the attraction of H. bicruris, the GC-FID/EAD or the GC-MS/EAD method was used in a first step to identify compounds that elicit signals in the antennae of the moth. Electrophysiologically very active compounds were tested in wind tunnel bioassays, and the attractivity of these compounds was compared to the attractivity of the natural scent of whole flowers of S. latifolia. The antennae of H. bicruris detected substances of several compound classes such as monoterpenoids, benzenoids, fatty acid derivatives, and nitrogen-bearing compounds. Lilac aldehydes were the most attractive compounds in wind tunnel bioassays, and attracted 90% of the tested moths, as did the scent of single flowers. Some compounds did not attract any moth, though they elicited significant signals in the antennae. To determine the parts of the female and male flowers responsible for scent emission, volatiles from attached intact flowers were sampled and then single flower parts were progressively removed. After each preparation step, volatiles were collected from the remaining “flower”. Especially the petals and the anthophore emitted the typical flower volatiles of S. latifolia; and compounds emitted from the petals differed from the compounds emitted by the anthophore. The anthophore emitted only lilac aldehydes and alcohols. Lilac aldehydes are known to be behaviourally very attractive for noctuid Lepidoptera such as Autographa gamma and Hadena bicruris, and they may serve as nectar guides in S. latifolia.
-
Facultative butterfly-ant interactions - the role of variation in composition of nectar secretions
(2004)
-
Holger Daniels
- The significance of variation in nectar secretions of facultatively ant-associated lycaenid butterfly larvae was investigated. The strongly myrmecophilous European Polyommatus coridon, and two moderately myrmecophilous species, the Palaearctic P. icarus and the subtropical Zizeeria knysna were used. Both Polyommatus species are closely related, Z. knysna is a far more distant relative. To obtain high numbers of caterpillars a new method for breaking the egg diapause of the univoltine P. coridon was established, resulting in 65% subitaneously hatching larvae. Based on observations of ants tending caterpillars a new “artificial ant” was assembled, allowing further studies on the ants’ stimulatory antennation pattern. Nectar-harvesting with micro-capillaries from caterpillars attended by ants was optimised and allowed determination of individual secretion droplet size based on large samples. Mean droplet size was 3.7nl in P. coridon, 2nl in P. icarus and 1.4nl in Z. knysna, in the latter two species 65-79% smaller than previously reported. Comparative chemical analyses (HPLC) revealed sucrose as main sugar component in nectar of all three species. In P. coridon it was accompanied by glucose and rarely by further sugars, but never by melezitose. In P. icarus and Z. knysna melezitose was the second most-important component, followed by fructose and glucose. Total sugar contents were 43.6±14.8g/l for P. coridon, 74.2g/l for P. icarus and 68.3±22.6g/l for Z. knysna. P. coridon nectar contained up to 14 amino acids. Major component was always leucine (50% of total), further important were tyrosine, proline, arginine, and phenylalanine. P. icarus nectar comprised up to six amino acids, dominated by tyrosine and phenylalanine. Z. knysna nectar contained only alanine and proline. Total amino acid contents were 9.7±3.4g/l for P. coridon, 1.2g/l for P. icarus and 0.3±0.2g/l for Z. knysna. Nectar composition was considerably different from hemolymph composition. Larval food had minor influence on P. coridon nectar composition. Caterpillars fed with semi-synthetic diet secreted more sucrose, with a trend towards higher total sugar content, and produced nectar with a more homogeneous amino acid pattern than larvae reared on natural host plants. Bioassays with ants from three different subfamilies (Lasius niger (Formicinae), Myrmica rubra (Myrmicinae), Tapinoma melanocephalum (Dolichoderinae)) demonstrated a preference for sucrose (standard concentration 0.1mol/l, as in P. coridon nectar) over monosaccharides. Melezitose in nectar concentration (P. icarus) was not preferred to sucrose. Some single amino acids in sucrose solutions were preferred over pure sucrose, e.g. leucine by L. niger, or phenylalanine and tyrosine by M. rubra. In general, raising amino acid concentration did not enhance preferences and even reduced them in some cases. Mixtures of four or eleven amino acids in sucrose and complete nectar analoga were preferred to sucrose. L. niger preferred a balanced mixture over an energetically similar, less balanced mixture. Due to the tremendous variability in gustatory preferences exhibited by the broad range of largely unpredictable ant visitors, lycaenid caterpillars should either decide on a balanced mixture, containing possible amino acid ‘key compounds’ in moderate concentrations, or if this investment does not pay, should secrete sugar-rich nectars. Using the data from the HPLC analyses and the droplet size measurements combined with published studies on secretion rates allowed estimations of the lifetime energetic value of secretions. One P. coridon caterpillar would deliver 5.5-24.4J, one P. icarus 1.9-14.2J and one Z. knysna 0.7-2.8J. Dissection and gravimetric analysis allowed estimation of the caloric equivalent of larval biomass. One early P. coridon third instar (onset of nectar secretion) would yield 17.6J, and prepupae 656J. Z. knysna second instars would yield 0.95J, third instars 3.2J, and prepupae 83.1J. Thus preying on the caterpillars rather than harvesting their secretions would be of greater energetic benefit. Comparisons of this model with further reports show the rather low benefit accruing to ants from tending facultatively myrmecophilous lycaenids, underpinning that manipulation of ants (by means of still unknown chemicals) must also be involved. The model data also suggest that the mutualistic nature of facultative caterpillar-ant associations will not always be granted, and be strongly conditional. Nectar composition data support the view that in myrmecophilous lycaenids secretions rich in amino acids are related to intimate, often obligate ant-associations, whereas facultative and unspecific myrmecophiles rely more on sugars. Degree of myrmecophily seems to be a better predictor of secretion content than taxonomic relatedness. The low investment costs of the caterpillars into nectar secretions well explain the enormous taxonomic and geographical distribution of facultative myrmecophily.
-
Verbesserte Schätzungen von CO2- und N2O-Flussraten von Böden mitteleuropäischer Ökosysteme - Entwicklung konzeptioneller Neuerungen von Bodenemissionsmodellen
(2004)
-
Sascha Reth
- Im Zuge dreier Intensivmessperioden innerhalb des Projektverbundes VERTIKO (Vertikaltransporte von Energie und Spurenstoffen an Ankerstationen und ihre räumliche/zeitliche Extrapolation unter komplexen natürlichen Bedingungen) wurden in Melpitz (24.09.-12.10.2001), Lindenberg (03.06.-06.07.2002) und Tharandt (18.05.-23.05. und 08.06.-14.06.2003) simultane Messungen der N2O- und CO2-Emissionen aus Wiesen-, Acker- und Waldböden durchgeführt. Die Emissionsdaten wurden mit einem photoakustischen Infrarot-Monitor in geschlossenen Kammern erhoben. Die entwickelte automatische Steuereinrichtung erlaubte es 5 Kammern simultan als räumliche Replikate zu messen und ermöglichte damit den Einsatz unter geringem Personalaufwand. In Rahmen dieser Arbeit wurde an einer Kalibrierungskampagne in Hyytiälä / Finnland teilgenommen, in der sowohl das automatisierte Messsystem gegen einen Referenzgasfluss, als auch gegen 19 Kammersysteme anderer Forschungseinrichtungen verglichen wurde. Die Anwendbarkeit der Methode wurde durch den Vergleich bestätigt und im weiteren wurde für jedes System ein Kalibrierungsfaktor ermittelt, der einen Vergleich mit anderen Ergebnissen erlaubt. Die vorliegende Arbeit konnte weiterhin zeigen, dass verschiedene Messmethoden, Bodenkammermessungen und Eddy Kovarianz, auf einer Brache vergleichbare Resultate erzielen. Ein gewichtetes Footprintmodell ermöglichte den direkten Vergleich von CO2-Flüssen, die hauptsächlich aus dem Quellgebiet Brache emittiert wurden und daher wenig durch Senkenterme kontaminiert schienen. Zudem wurde die Einfluss der Nettoflüsse aus der benachbarten Wiesenfläche untersucht. Die Emissionshöhen von CO2 und N2O variierten stark zwischen verschiedenen Landnutzungstypen. Generell konnten für beide Gase auf Wiesen und landwirtschaftlich genutzten Böden höhere Emissionen als auf Waldböden gefunden werden. Auch innerhalb der Standorte war die zeitliche und räumliche Heterogenität hoch. Diese Arbeit entwickelte ein nichtlineares Regressionsmodell auf der Basis der gemessenen Flussraten zur Berechnung von CO2-Emissionen für verschiedene Landnutzungstypen, welches eine regionale Anwendung erlaubt. Neben Bodentemperatur und -wassergehalt als Parameter wurden der pH-Wert und die Wurzelmasse berücksichtigt. Als zusätzlicher und unerwarteter Parameter wurde der zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis als Steuergröße identifiziert. Auch für N2O wurde ein nichtlineares Regressionsmodell (DenNit) für regionale Anwendungen entwickelt, das eine Abschätzung der N2O-Emissionen von Brachen, Wiesen und Wald mit lediglich 6 Faktoren (Bodentemperatur, Bodenwassergehalt, pH-Wert, Nitrat- und Ammonium-verfügbarkeit, zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis) erlaubt. Im Anschluss wurden die entwickelten Modelle für den Zeitraum dreier Intensivmesskampagnen für die verschiedenen Landnutzungstypen angewendet und zeigten gute Übereinstimmungen mit publizierten Emissionsdaten anderer Arbeiten. Die Vorhersagbarkeit von Bodenatmungsraten und Lachgasemissionen mit den entwickelten Modellen konnte deutlich gesteigert werden.
-
Funktionale Analyse des ATPase- und des Zn2+-Bindungs-Motivs der Bacillus subtilis Protease FtsH und deren Einfluss auf die Sporulation
(2004)
-
Matthias Kotschwar
- Die membrangebundene, ATP- und Zn2+- abhängige Metalloprotease FtsH ist in E. coli bereits gut untersucht. Es handelt sich um ein multifunktionales Protein mit ATPase- und Protease-Aktivität. Dort wurden eine Vielzahl von E. coli ftsH-Mutanten mit pleiotropen Phänotyp charakterisiert und die Auswirkung von gezielten Mutationen in vivo und in vitro analysiert (Akiyama et al., 1994; Akiyama et al., 1996). Über FtsH aus B. subtilis ist hingegen noch wenig bekannt. Bisher wurden erst die Phänotypen einer ftsH-Nullmutante und einer Insertionsmutante beschrieben, die zu einem pleiotropen Phänotyp führen. Die Rolle bestimmter Bereiche oder Aminosäuren von FtsH wurden hier nicht untersucht (Deuerling et al., 1995; Deuerling et al., 1997; Lysenko et al., 1997). In ihrer Diplomarbeit konstruierte Eva Harfst 1999 vier B. subtilis ftsH-Allele, indem sie gezielt Aminosäuren in der Walker-A-Box und im Zinkbindungsmotiv austauschte, wie sie bereits für E. coli und Hefe FtsH beschrieben wurden. Diese mutierten ftsH-Gene und ein wildtypisches zur Kontrolle brachte sie in den pX-Vector ein, wodurch sie unter die Kotrolle eines Xylose-induzierbaren Promotors gestellt wurden. In der vorliegenden Arbeit wurden die mutierten ftsH-Allele in das B. subtilis-Chromosom integriert und in einem zweiten Schritt das wildtypische ftsH deletiert. Die Phänotypen der so erzeugten Mutanten (sowohl die aus dem ersten Schritt, die noch das wildtypische ftsH tragen, als auch die aus dem zweiten Schritt, die nur noch das mutierte Allel tragen) wurden hinsichtlich des filamentösen Wachstums, der Sporulation, der Sensitivität gegenüber Hitzeschock und hyperosmotischen Bedingungen analysiert. Dabei stellte sich heraus, das die mutierten Allele keinen Einfluss auf den Phänotyp der Stämme haben, die das wildtypische ftsH noch tragen, und in den Knockout-Stämmen das wildtypische ftsH nicht ersetzen können, also den Phänotyp einer ftsH- Nullmutante zeigen. Des weiteren sind die mutierten ftsH-Allele ebenfalls nicht in der Lage, die Defizienz in der Subtilisin-Sekretion zu kompensieren. ATPase-Tests zeigten, dass die eine Mutation im Walker-A-Motiv die ATPase-Aktivität der beiden betroffenen Proteine ausschaltete. Protease-Tests ergaben, dass keines der mutierten FtsH-Proteine noch eine Protease-Aktivität aufweist. Das bedeutet, dass einerseits die Basenaustausche im Zinkbindungsmotiv die Protease-Aktivität ausschalten, andererseits aber auch keine Protease-Aktivität ohne ATPase- Aktivität möglich ist. Daraus folgt weiterhin, dass die ATPase-Aktivität des FtsH-Proteins allein nicht ausreicht, um einen der untersuchten pleiotropen Phänotypen einer ftsH--Mutante zu kompensieren. Die Funktionalität sowohl der ATPase- als auch der Protease-Domäne ist also für FtsH und somit für B. subtilis hinsichtlich des filamentösen Wachstums, der Sporulation, der Sensitivität gegenüber Hitzeschock und hyperosmotischen Bedingungen essentiell. Anhand von Northern-Blot-Hybridisierungsexperimenten konnte gezeigt werden, dass FtsH eine essentielle Rolle bei der Phosphorylierung von Spo0A haben muss, da ohne FtsH kein aktives Spo0A gebildet wird. Die daraus resultierende Sporulationsdefizienz kann aber durch eine Spo0A-Mutante, die ohne Phosphorylierung aktiv ist, fast vollständig kompensiert werden. FtsH ist also während der Sporulation nur für die Phosphorylierung von Spo0A essentiell.
-
Charakterisierung der reduktiven Aktivitäten der CO-Dehydrogenasen aus Oligotropha carboxidovorans und Streptomyces thermoautotrophicus
(2004)
-
Antonius Sarjiya
- Es wurde in dieser Arbeit entdeckt, dass die aerobe CO-Dehydrogenase in der Lage ist, alternative Substrate wie Azid, Nitrit und Nitrat zu reduzieren. CO-Dehydrogenase aus Oligotropha carboxidovorans und Streptomyces thermoautotrophicus führen die Reduktionsreaktion wie folgt durch: Azid wird zu Ammonium und molekularem Distickstoff reduziert. N3- + 2 e- + 3 H+ -> NH3 + N2 Nitrit wird zu Ammonium reduziert. NO2- + 6 e- + 7 H+ -> NH3 + 2H2O Nitrat wird zu Nitrit reduziert. NO3- + 2H+ + 2e- -> NO2- + H2O Das katalytische [CuSMoO2]-Zentrum der CO-Dehydrogenase ist verantwortlich für die Reduktion von Azid und Nitrit. Ohne einem aktiven katalytischen-Zentrum findet die Reduktion von Azid und Nitrit nicht statt. Die CO-Dehydrogenase katalysiert gleichzeitig die H2-Oxidation und die Azid-Reduktion. Die während der H2-Oxidation entstehenden Elektronen werden für die Azid-Reduktion verwendet. H2 + N3- + H+ -> NH3 + N2 Oxidation und Reduktion finden mit größter Wahrscheinlichkeit am katalytisch aktiven [CuSMoO2]-Cluster der CO-Dehydrogenase statt. Die gleichzeitige Anwesenheit von CO und Azid hemmt die CO-Oxidations- und Azid-Reduktionsaktivität. Die Kristallstruktur zeigt, dass in Gegenwart von CO und Azid aus dem [CuSMoO2]-Cluster das Cu-Atom und der Sulfidoligand entfernt sind. Die Nitrat-Reduktion der CO-Dehydrogenase ist unabhängig vom katalytisch aktiven [CuSMoO2]-Cluster. Die CO-Dehydrogenase aus S. thermoautotrophicus zeigt ähnliche Oxidations- und Reduktionsaktivitäten. Die CO-Dehydrogenase aus dem thermophilen, Gram-positiven Bakterium S. thermoautotrophicus reagiert sehr ähnlich wie die CO-Dehydrogenase aus dem mesophilen, Gram-neagtiven Bakterium O. carboxidovorans.
-
Kopplung der Oxidation von reduzierten Schwefelverbindungen mit der Reduktion von Ferro(hydr)oxiden in anoxischen Sedimenten saurer Seen
(2003)
-
Winfrid Gade
- In Sedimenten saurer Restseen existiert ein gekoppelter Eisen- und Schwefelkreislauf (Peine, 1998), dessen chemische Reaktionen und Mechanismen noch nicht verstanden sind. Assoziiert mit dem Schwefelkreislauf laufen verschiedene chemische und/oder mikrobiell katalysierte Versauerungs- oder Neutralisationsprozesse ab. Trotz bestehender Sulfatreduktion wird nur eine geringe Menge des gebildeten Sulfids im Sediment als Eisensulfid (Pyrrhotin (FeS), Pyrit (FeS2)) fixiert. Große Teile des gebildeten Sulfids werden unter anaeroben Bedingungen zum Sulfat zurückoxidiert. Diese Arbeit soll die Kinetik der Sulfidoxidation mit Ferro(hydr)oxiden beschreiben und die relative Bedeutung der abiotischen Teilprozesse klären helfen, die für die Sulfidoxidation verantwortlich sind. Das Sediment und Porenwasser im Restloch 77 wurde im Jahre 2001 mehrfach analysiert. Anschließend wurden im Labor Versuche mit einem Durchmischungsreaktor durchgeführt, welche die chemischen Reaktionen und die Kinetik der H2S-Oxidation durch Ferro(hydr)oxide klären sollten. Die Analyse von Sediment und Porenwasser bestätigen frühere Studien von Peine (1998) über die Existenz eines Schwefelkreislaufes in den Sedimenten saurer Restlochseen. Das Vorkommen von Thiosulfat, einem Intermediat des Schwefelkreislaufes, korrelierte unmittelbar mit erhöhten Fe3+-Konzentrationen im Porenwasser. Daher kann von einer Umsetzung des Sulfids an Ferro(hydr)oxiden ausgegangen werden. Aquatischer Biomasse kann als leicht verfügbare C-Quelle eine bedeutende Rolle bei der seeinternen Neutralisation zukommen (Blodau et al., 2000). Daher wurde der Kohlenstoff quantifiziert und auf seine Bürtigkeit hin analysiert. In den untersuchten Restlöchern kommt der aquatischen Biomasse und terrestrischen organischen Substanz durch mangelnde Existenz jedoch nur eine untergeordnete Bedeutung zu. Die geringe existierende Masse an Kohlenstoff kann für den Sulfidumsatz und damit für eine seeinterne Neutralisation vernachlässigt werden kann. Zur Ermittlung der Reaktionskinetik von Sulfid und den Intermediaten des von Peine (1998) postulierten Schwefelkreislaufes wurde im Labor ein Versuchsaufbau entwickelt. Dadurch konnten die Reaktivitäten von H2S mit verschiedenen Ferro(hydr)oxiden bei variablem pH untersucht werden. Die Versuche zeigen, dass H2S durch Ferro(hydr)oxide in einer stark pH-abhängigen Redoxreaktion oxidiert werden kann. Die Kinetik dieser Reaktionen lässt sich durch eine empirische Gesetzmäßigkeit beschreiben. Die inverse Anpassung der pKa1-Werte der verwendeten Ferro(hydr)oxide an die gemessenen Umsatzraten von H2S zeigte eine lineare Abhängigkeit der spezifischen Reaktionskonstanten von der Oberflächenazidität. Die Oberflächenazidität steuert also die Kinetik der H2S-Oxidation an Ferro(hydr)oxiden. Bei Kenntnis der Oberflächenazidität können wir die Kinetik der Reaktionen mit einer empirischen Gesetzmäßigkeit vorhersagen. Die Oxidation von H2S an Ferro(hydr)oxiden wird durch Anwesenheit von >= 5 mM Sulfat unterbunden. In den Sedimenten saurer Restseen existieren reichlich Ferro(hydr)oxide, durch die H2S oxidiert werden könnten, diese Reaktionen werden aber durch Sulfatgehalte von >= 10 mM inhibiert. Phthalsäure zeigte in den Laborversuchen eine katalytische Wirkung auf die Oxidation von H2S in Anwesenheit von Ferro(hydr)oxiden. Die Oxidation von H2S innerhalb des Schwefelkreislaufes der sauren Restseen ist wahrscheinlich durch mikrobiologische Prozesse oder durch organische Komponenten, die ähnliche Wirkungen wie die Phthalsäure besitzen, gesteuert. Durch rein anorganische Reaktionen ist die H2S-Oxidation in diesen Habitaten nicht zu erklären.
