Femtosecond imaging-mode laser-induced breakdown spectroscopy

Many nonlinear optical microscopy techniques based on the high-intensity nonlinear phenomena were developed recent years. A new technique based on the minimal-invasive in-situ analysis of the specific bound elements in biological samples is described in the present work. The imaging-mode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is proposed as a combination of LIBS, femtosecond laser material processing and microscopy. The Calcium distribution in the peripheral cell wall of the sunflower seedling (Helianthus Annuus L.) stem is studied as a first application of the imaging-mode LIBS. At first, several nonlinear optical microscopy techniques are overviewed. The spatial resolution of the imaging-mode LIBS microscope is discussed basing on the Point-Spread Function (PSF) concept. The primary processes of the Laser-Induced Breakdown (LIB) are overviewed. We consider ionization, breakdown, plasma formation and ablation processes. Water with defined Calcium salt concentration is used as a model of the biological object in the preliminary experiments. The transient LIB spectra are measured and analysed for both nanosecond and femtosecond laser excitation. The experiment on the local Calcium concentration measurements in the peripheral cell wall of the sunflower seedling stem employing nanosecond LIBS shows, that nanosecond laser is not a suitable excitation source for the biological applications. In case of the nanosecond laser the ablation craters have random shape and depth over 20 µm. The analysis of the femtosecond laser ablation craters shows the reproducible circle form. At 3.5 µJ laser pulse energy the diameter of the crater is 4 µm and depth 140 nm for single laser pulse, which results in 1 femtoliter analytical volume. The experimental result of the 2 dimensional and surface sectioning of the bound Calcium concentrations is presented in the work.

Vom Biofilm zur planktonischen Lebensform

Im ersten Teil dieser Dissertation stand die Analyse der Motilitätsentwicklung bei Vertretern der Gattung Methylobacterium im Vordergrund. Diese zu den pink pigmentierten fakultativ methylotrophen Mikroorganismen (PPFMs) gehörenden Prokaryoten sind in der Umwelt weit verbreitet. Besonders häufig besiedeln die Mikroben pflanzliche Oberflächen und können als so genannte Phytosymbionten in einer wechselseitigen Beziehung zu pflanzlichen Organismen stehen. In aquatischer Umgebung können Methylobakterien Flagellen aufweisen. Hierbei handelt es sich um spezielle Fortbewegungsorganellen, die den Mikroben eine aktive Beweglichkeit ermöglichen. Die Ausbildung polarer Einzelflagellen bei Methylobacterium-Zellen in planktonischer Lebensweise konnte unter Anwendung verschiedener mikroskopischer Techniken dokumentiert werden. Quantitative Beweglichkeitsstudien zeigten einen charakteristischen Entwicklungsverlauf, korreliert mit den Wachstumsphasen der Bakterienkulturen und machten deutlich, dass die Motilitätsrate durch Umweltfaktoren, wie z. B. die Nährstoffversorgung, beeinflusst werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Pflanzen-assoziierten PPFMs in der Lage sind, zwischen einer sessilen und planktonischen Lebensweise zu wechseln und dass sowohl die zelluläre Beweglichkeit als auch die Biofilm-Bildung der Prokaryoten ein reversibles, reaktivierbares Verhalten darstellt. Weiterhin konnte belegt werden, dass die Motilität der epiphytischen Mikroben bezüglich der Besiedelung von Pflanzen, z. B. bei der Ausbreitung auf Keimblatt-Oberflächen von Sonnenblumen (Helianthus annuus), keine zentrale Rolle spielt und eine endophytische Lebensweise unwahrscheinlich ist. Ziel der Arbeit war weiterhin die Charakterisierung und Identifizierung eines aus der Phyllosphäre der Echten Feige (Ficus carica, Standort Griechenland) isolierten Bakterien-Stammes (Mtb. sp. Fc1). Die fakultativ methylotrophe Stoffwechseleigenschaft, sowie die auffällige rötliche Pigmentierung belegen, dass es sich um einen Vertreter der PPFMs handelt. Die Analyse morphologischer, physiologischer und biochemischer Eigenschaften bestätigte in Übereinstimmung mit molekularphylogenetischen Untersuchungen zur Klassifizierung und taxonomischen Einordnung, dass es sich um Pflanzen-assoziierte Mikroben der Gattung Methylobacterium handelt. Analysen der 16S rDNA sowie partieller Sequenzen der für Methylobakterien etablierten Marker-Gene mxaF und gyrB verdeutlichten die phylogenetische Stellung und die evolutionären Beziehungen des Ficus-Isolates. Obwohl enge Verwandtschaftsverhältnisse zu anderen Methylobacterium-Arten ermittelt werden konnten, war eine Identifizierung als valide beschriebene Spezies nicht möglich. Die Resultate legen den Schluss nahe, dass es sich um eine neue, unbeschriebene Spezies der epiphytisch lebenden Methylobakterien handelt.

Effects of tubers of the Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) and potatoes (Solanum tuberosum) on the intestinal microbiota of pigs and evaluation of a procedure for quantification of microbial mass in pig faeces

Die Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt (GIT) spielt eine bedeutende Rolle beim Fermentationsprozess im Bezug auf die Nährstoffversorgung sowie die Gesundheit des Darms und des gesamten Organismus. Inulin und resistente Stärke (RS) konnten als präbiotisch wirksame Substanzen identifiziert werden und sind jeweils auch in den Knollen der Topinamburpflanze (Helianthus tuberosus) und in Kartoffeln (Solanum tuberosum) enthalten. Da sie ebenfalls energiereiche Futtermittel für Schweine sind, war es das Ziel der ersten beiden Studien, die Auswirkungen der Aufnahme von Topinamburknollen und Kartoffeln auf die intestinale Mikrobiota und Parameter des Immunsystems bei Endmastschweinen zu bestimmen. In der dritten Studie wurde die mikrobielle Biomasse quantitativ mit einem Verfahren zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit durch Hochgeschwindigkeits-Zentrifugation erfasst und der bakteriell gebundene Stickstoff (MP-N) mit dem bakteriellen und endogenem Kotstickstoff (BEDN) verglichen. Im ersten Versuch wurden 72 Endmastschweine in einem Freilandhaltungssystem in eine Kontroll- (CT), die mit Kraftfutter entsprechend des Bedarfs der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g täglichem Lebendmassezuwachs versorgt wurde, und eine Versuchsvariante (ET) aufgeteilt. In der Versuchsvariante erhielten die Tiere nur 70% der Kraftfuttermenge der Kontrollvariante, hatten aber Zugang zu einer abgeteilten Fläche, auf der Topinamburknollen angebaut waren. Die freie Aufnahme von Topinamburknollen wurde auf 1•24 kg Trockenmasse (TM)/Tag bestimmt, entsprechend einer Inulinaufnahme von durchschnittlich 800 g/Tag. Während sich die Wachstumsleistung in der Kontrollvariante auf 0•642 ± 0•014 kg/Tag belief, war sie in der Versuchsvariante mit 0•765 ± 0•015 kg/Tag (P=0•000) höher. Die freie Verfügbarkeit von Inulin und Fructo-oligosacchariden (FOS) im GIT der Schweine erhöhte die Keimzahlen der anaeroben Bakterien (P=0•000), Laktobazillen (P=0•046) und Hefen (P=0•000) signifikant und verringerte das Vorkommen von Clostridium perfringens im Schweinekot erheblich von lg 5•24 ± 0•17 kolonie-bildende Einheiten pro g Frischmasse (KbE/ g FM) in der Kontrollvariante auf lg 0•96 ± 0•20 KbE/ g FM in der Versuchsvariante (P=0•000). C-reaktives Protein (CRP) und Antikörper gegen Lipopolysaccharide (LPS) von Escherichia coli J5 ließen keine Unterschiede zwischen den Fütterungsvarianten erkennen. In der zweiten Untersuchung wurden 58 Endmastschweine einer Kontrollvariante (CT), die bedarfsgerecht mit einer Kraftfuttermischung für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen gefüttert wurde, und zwei Versuchsvarianten zugeteilt. Die Versuchsvarianten erhielten eine Menge von 1•2 kg TM gedämpften Kartoffeln (potato treatment, PT) oder gedämpften und einsilierten Kartoffeln (silage treatment, ST) pro Tag und nur 46% bzw. 43% der Menge des Kraftfutters der Kontrollvariante. Die Wachstumsleistung und Schlachtkörperzusammensetzung ließen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten erkennen. Im PT und ST waren gegenüber dem CT im Kot der pH-Wert sowie die Gehalte von TM, Neutral-Detergenz-Faser (NDF), unverdautem Futterstickstoff (UDN) und teilweise von Säure-Detergenz-Faser (ADF) signifikant niedriger (P=0•000) und die von Ammonium (NH4) und Ammoniumstickstoff (NH4-N) signifikant höher (P=0•000). Das hohe Angebot von hitzebehandelten Kartoffeln führte zu einer erheblichen Verringerung von E. coli (P=0•000), C. perfringens (P=0•000) und Immunoglobulin A gegen LPS von E. coli J5 (P=0•001). Darüber hinaus waren in der ersten Versuchsperiode im ST die aeroben und anaeroben Gesamtkeimzahlen sowie die Laktobazillen und Hefen gegenüber dem PT signifikant erhöht. Die Unterschiede in der Mikrobiota zwischen der Kontroll- und Versuchsvarianten weisen auf die positiven Auswirkungen von Topinamburknollen und hitzebehandelten Kartoffeln auf die Mikrobiota im hinteren Darmabschnitt hin. Das Ziel der dritten Untersuchung war die Modifizierung des Verfahrens zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit mittels verschiedener Zentrifugationsschritte, um ein mikrobielles Pellet (MP) zu erhalten, welches die quantitative Abtrennung und Erfassung der Bakterien in Schweinekot ermöglicht. Zusätzlich wurde der BEDN Anteil sowie die Gehalte der Aminozucker Galactosamin, Glucosamin, Mannosamin und Muraminsäure im Kot und im MP bestimmt. Die untersuchten Kotproben stammten von Schweinen eines Phosphor (P) Stoffwechselversuch. Zehn männlich-kastrierte Schweine mit einem durchschnittlichen Lebendgewicht von 51•1 ± 8•5 kg wurden einzeln in Stoffwechselkäfigen gehalten. Die Tiere wurden fünf Fütterungsvarianten zugeteilt, die dem Bedarf der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen entsprachen, in den Rationen 2 bis 5 jedoch eine P-Gehalt unter dem Tagesbedarf der Tiere aufwiesen und in den Rationen 3 bis 5 mit abgestuften Gehalten von 50, 100 sowie 200 mg/kg einer experimentellen Phytase ergänz waren. Die Absenkung des P Gehaltes im Futter verringerte den Asche- (P=0•024) und Trockenmassegehalt im Kot (P=0•017) sowie die P Konzentration im MP (P=0•000) signifikant. Die mikrobielle Biomasse im Kot wurde durch die Wiegung des MP auf durchschnittlich 467 g/kg TM bestimmt. Der Stickstoffgehalt im Kot betrug im Mittel 46•1 g/kg TM und der in die Bakterienmasse eingebaute Stickstoffanteil 27•1 g/kg TM bzw. 58% vom Gesamtstickstoffgehalt im Kot. Die BEDN Fraktion wurde auf 73% am Kotstickstoff bestimmt. Der P-Gehalt im Kot sowie der N Gehalt im MP mit durchschnittlichen 10•4 und 57•9 g/kg TM lagen im Bereich von Literaturangaben. Die P Gehalte im MP schwankten in Abhängigkeit von der Zugabe von Phytase signifikant (P=0•000) von 1•8 bis 4•8 g/kg TM. Die Aminozucker wiesen keine signifikanten unterschiede zwischen Fütterungsvarianten auf und lagen im Bereich von Werten von Rinderkot. Ergebnisse weisen darauf hin, dass die angewandte Methode zur direkten Quantifizierung der mikrobiellen Biomasse geeignet ist.

Effects of Organic and Inorganic Fertilizers on Growth and Yield of Banana (Musa AAA cv. Malindi) in Oman

The Sultanate of Oman is located on the south-eastern coast of the Arabian Peninsula, which lies on the south-western tip of the Asian continent. The strategic geographical locations of the Sultanate with its many maritime ports distributed on the Indian Ocean have historically made it one of the Arabian Peninsula leaders in the international maritime trade sector. Intensive trading relationships over long time periods have contributed to the high plant diversity seen in Oman where agricultural production depends entirely on irrigation from groundwater sources. As a consequence of the expansion of the irrigated area, groundwater depletion has increased, leading to the intrusion of seawater into freshwater aquifers. This phenomenon has caused water and soil salinity problems in large parts of the Al-Batinah governorate of Oman and threatens cultivated crops, including banana (Musa spp.). According to the Ministry of Agriculture and Fisheries, the majority of South Al-Batinah farms are affected by salinity (ECe > 4 dS m-1). As no alternative farmland is available, the reclamation of salt-affected soils using simple cultural practices is of paramount importance, but in Oman little scientific research has been conducted to develop such methods of reclamation. This doctoral study was initiated to help filling this research gap, particularly for bananas. A literature review of the banana cultivation history revealed that the banana germplasm on the Arabian Peninsula is probably introduced from Indonesia and India via maritime routes across the Indian Ocean and the Red Sea. In a second part of this dissertation, two experiments are described. A laboratory trial conducted at the University of Kassel, in Witzenhausen, Germany from June to July 2010. This incubation experiment was done to explore how C and N mineralization of composted dairy manure and date palm straw differed in alkaline non-saline and saline soils. Each soil was amended with four organic fertilizers: 1) composted dairy manure, 2) manure + 10% date palm straw, 3) manure + 30% date palm straw or 4) date palm straw alone, in addition to un-amended soils as control. The results showed that the saline soil had a lower soil organic C content and microbial biomass C than the non-saline soil. This led to lower mineralization rates of manure and date palm straw in the saline soil. In the non-saline soil, the application of manure and straw resulted in significant increases of CO2 emissions, equivalent to 2.5 and 30% of the added C, respectively. In the non-amended control treatment of the saline soil, the sum of CO2-C reached only 55% of the soil organic C in comparison with the non-saline soil. In which 66% of the added manure and 75% of the added straw were emitted, assuming that no interactions occurred between soil organic C, manure C and straw C during microbial decomposition. The application of straw always led to a net N immobilization compared to the control. Salinity had no specific effect on N mineralization as indicated by the CO2-C to Nmin ratio of soil organic matter and manure. However, N immobilization was markedly stronger in the saline soil. Date palm straw strongly promoted saprotrophic fungi in contrast to manure and the combined application of manure and date palm straw had synergistic positive effects on soil microorganisms. In the last week of incubation, net-N mineralization was observed in nearly all treatments. The strongest increase in microbial biomass C was observed in the manure + straw treatment. In both soils, manure had no effect on the fungi-specific membrane component ergosterol. In contrast, the application of straw resulted in strong increases of the ergosterol content. A field experiment was conducted on two adjacent fields at the Agricultural Research Station, Rumais (23°41’15” N, 57°59’1” E) in the South of Al-Batinah Plain in Oman from October 2007 to July 2009. In this experiment, the effects of 24 soil and fertilizer treatments on the growth and productivity of Musa AAA cv. 'Malindi' were evaluated. The treatments consisted of two soil types (saline and amended non-saline), two fertilizer application methods (mixed and ring applied), six fertilizer amendments (1: fresh dairy manure, 2: composted dairy manure, 3: composted dairy manure and 10% date palm straw, 4: composted dairy manure and 30% date palm straw, 5: only NPK, and 6: NPK and micronutrients). Sandy loam soil was imported from another part of Oman to amended the soil in the planting holes and create non-saline conditions in the root-zone. The results indicate that replacing the saline soil in the root zone by non-saline soil improved plant growth and yield more than fertilizer amendments or application methods. Particularly those plants on amended soil where NPK was applied using the ring method and which received micronutrients grew significantly faster to harvest (339 days), had a higher average bunch weight (9.5 kg/bunch) and were consequently more productive (10.6 tonnes/hectare/cycle) compared to the other treatments.