Effect of environmental conditions on the N uptake route of soil microorganisms and adaption of a method to determine amino acid oxidase in soil

Soil microorganisms have evolved two possible mechanisms for their uptake of organic N: the direct route and the mobilization-immobilization-turnover (MIT) route. In the direct route, simple organic molecules are taken up via various mechanisms directly into the cell. In the MIT route, the deamination occurs outside the cell and all N is mineralized to NH4+ before assimilation. A better understanding of the mechanisms controlling the different uptake routes of soil microorganisms under different environmental conditions is crucial for understanding mineralization processes of organic material in soil. For the first experiment we incubated soil samples from the long term trial in Bad Lauchstädt with corn residues with different C to N ratios and inorganic N for 21 days at 20 °C. Under the assumption that all added amino acids were taken up or mineralized, the direct uptake route was more important in soil amended with corn residues with a wide C to N ratio. After 21 days of incubation the direct uptake of added amino acids increased in the order addition of corn residue with a: “C to N ratio of 40 & (NH4)2SO4 and no addition (control)” (69% and 68%, respectively) < “C to N ratio of 20” (73%) < “C to N ratio of 40” (95%). In all treatments the proportion of the added amino acids that were mineralized increased with time, indicating that the MIT route became more important over time. To investigate the effects of soil depth on the N uptake route of soil microorganisms (experiment II), soil samples in two soil depths (0-5 cm; 30-40 cm) were incubated with corn residues with different C to N ratios and inorganic N for 21 days at 20 °C and 60% (WHC). The addition of corn residue resulted in a marked increase of protease activity in both depths due to the induction from the added substrate. Addition of corn residue with a wide C to N ratio resulted in a significantly greater part of the direct uptake (97% and 94%) than without the addition of residues (85% and 80%) or addition of residue with a small C to N ratio (90% and 84%) or inorganic N (91% and 79% in the surface soil and subsoil, respectively), suggesting that under conditions of sufficient mineralizable N (C to N ratio of 20) or increased concentrations of NH4+, the enzyme system involved in the direct uptake is slightly repressed. Substrate additions resulted in an initially significantly higher increase of the direct uptake in the surface soil than in the subsoil. As a large proportion of the organic N input into soil is in form of proteinaceous material, the deamination of amino acids is a key reaction of the MIT route. Therefore the enzyme amino acid oxidase contribute to the extracellular N mineralization in soil. The objective of experiment III was to adapt a method to determine amino acid oxidase in soil. The detection via synthetic fluorescent Lucifer Yellow derivatives of the amino acid lysine is possible in soil. However, it was not possible to find the substrate concentration at which the reaction rate is independent of substrate concentration and therefore we were not able to develop a valid soil enzyme assay.

Changes of traditional farming systems and their effects on land degradation and socio-economic conditions in the Inle Lake region, Myanmar

At many locations in Myanmar, ongoing changes in land use have negative environmental impacts and threaten natural ecosystems at local, regional and national scales. In particular, the watershed area of Inle Lake in eastern Myanmar is strongly affected by the environmental effects of deforestation and soil erosion caused by agricultural intensification and expansion of agricultural land, which are exacerbated by the increasing population pressure and the growing number of tourists. This thesis, therefore, focuses on land use changes in traditional farming systems and their effects on socio-economic and biophysical factors to improve our understanding of sustainable natural resource management of this wetland ecosystem. The main objectives of this research were to: (1) assess the noticeable land transformations in space and time, (2) identify the typical farming systems as well as the divergent livelihood strategies, and finally, (3) estimate soil erosion risk in the different agro-ecological zones surrounding the Inle Lake watershed area. GIS and remote sensing techniques allowed to identify the dynamic land use and land cover changes (LUCC) during the past 40 years based on historical Corona images (1968) and Landsat images (1989, 2000 and 2009). In this study, 12 land cover classes were identified and a supervised classification was used for the Landsat datasets, whereas a visual interpretation approach was conducted for the Corona images. Within the past 40 years, the main landscape transformation processes were deforestation (- 49%), urbanization (+ 203%), agricultural expansion (+ 34%) with a notably increase of floating gardens (+ 390%), land abandonment (+ 167%), and marshlands losses in wetland area (- 83%) and water bodies (- 16%). The main driving forces of LUCC appeared to be high population growth, urbanization and settlements, a lack of sustainable land use and environmental management policies, wide-spread rural poverty, an open market economy and changes in market prices and access. To identify the diverse livelihood strategies in the Inle Lake watershed area and the diversity of income generating activities, household surveys were conducted (total: 301 households) using a stratified random sampling design in three different agro-ecological zones: floating gardens (FG), lowland cultivation (LL) and upland cultivation (UP). A cluster and discriminant analysis revealed that livelihood strategies and socio-economic situations of local communities differed significantly in the different zones. For all three zones, different livelihood strategies were identified which differed mainly in the amount of on-farm and off-farm income, and the level of income diversification. The gross margin for each household from agricultural production in the floating garden, lowland and upland cultivation was US$ 2108, 892 and 619 ha-1 respectively. Among the typical farming systems in these zones, tomato (Lycopersicon esculentum L.) plantation in the floating gardens yielded the highest net benefits, but caused negative environmental impacts given the overuse of inorganic fertilizers and pesticides. The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and spatial analysis within GIS were applied to estimate soil erosion risk in the different agricultural zones and for the main cropping systems of the study region. The results revealed that the average soil losses in year 1989, 2000 and 2009 amounted to 20, 10 and 26 t ha-1, respectively and barren land along the steep slopes had the highest soil erosion risk with 85% of the total soil losses in the study area. Yearly fluctuations were mainly caused by changes in the amount of annual precipitation and the dynamics of LUCC such as deforestation and agriculture extension with inappropriate land use and unsustainable cropping systems. Among the typical cropping systems, upland rainfed rice (Oryza sativa L.) cultivation had the highest rate of soil erosion (20 t ha-1yr-1) followed by sebesten (Cordia dichotoma) and turmeric (Curcuma longa) plantation in the UP zone. This study indicated that the hotspot region of soil erosion risk were upland mountain areas, especially in the western part of the Inle lake. Soil conservation practices are thus urgently needed to control soil erosion and lake sedimentation and to conserve the wetland ecosystem. Most farmers have not yet implemented soil conservation measures to reduce soil erosion impacts such as land degradation, sedimentation and water pollution in Inle Lake, which is partly due to the low economic development and poverty in the region. Key challenges of agriculture in the hilly landscapes can be summarized as follows: fostering the sustainable land use of farming systems for the maintenance of ecosystem services and functions while improving the social and economic well-being of the population, integrated natural resources management policies and increasing the diversification of income opportunities to reduce pressure on forest and natural resources.

Architecture and other Architectures: Mapping the Production of Insular Space in the Pearl River Delta (China) and Jakarta (Indonesia)

Globalization is widely regarded as the rise of the borderless world. However in practice, true globalization points rather to a “spatial logic” by which globalization is manifested locally in the shape of insular space. Globalization in this sense is not merely about the creation of physical fragmentation of space but also the creation of social disintegration. This study tries to proof that global processes also create various forms of insular space leading also to specific social implications. In order to examine the problem this study looks at two cases: China’s Pearl River Delta (PRD) and Jakarta in Indonesia. The PRD case reveals three forms of insular space namely the modular, concealed and the hierarchical. The modular points to the form of enclosed factories where workers are vulnerable for human-right violations due to the absent of public control. The concealed refers to the production of insular space by subtle discrimination against certain social groups in urban space. And the hierarchical points to a production of insular space that is formed by an imbalanced population flow. The Jakarta case attempts to show more types of insularity in relation to the complexity of a mega-city which is shaped by a culture of exclusion. Those are dormant and hollow insularity. The dormant refers to the genesis of insular– radical – community from a culture of resistance. The last type, the hollow, points to the process of making a “pseudo community” where sense of community is not really developed as well as weak social relationship with its surrounding. Although global process creates various expressions of territorial insularization, however, this study finds that the “line of flight” is always present, where the border of insularity is crossed. The PRD’s produces vernacular modernization done by peasants which is less likely to be controlled by the politics of insularization. In Jakarta, the culture of insularization causes urban informalities that have no space, neither spatially nor socially; hence their state of ephemerality continues as a tactic of place-making. This study argues that these crossings possess the potential for reconciling venue to defuse the power of insularity.

Zelluläre und biochemische Charakterisierung der bifunktionalen Methyltransferase Dnmt2

Seit der Entdeckung der Methyltransferase 2 als hoch konserviertes und weit verbreitetes Enzym sind zahlreiche Versuche zur vollständigen Charakterisierung erfolgt. Dabei ist die biologische Funktion des Proteins ein permanent umstrittener Punkt. In dieser Arbeit wird dnmA als sensitiver Oszillator bezüglich des Zellzyklus und weiterer Einflüsse gezeigt. Insgesamt liegt der Hauptfokus auf der Untersuchung der in vivo Charakterisierung des Gens, der endogenen subzellulären Verteilung, sowie der physiologischen Aufgaben des Proteins in vivo in D. discoideum. Um Hinweise auf Signalwege in vivo zu erhalten, in denen DnmA beteiligt ist, war es zunächst notwendig, eine detaillierte Analyse des Gens anzufertigen. Mit molekularbiologisch äußerst sensitiven Methoden, wie beispielsweise Chromatin‐IP oder qRT‐PCR, konnte ein vollständiges Expressionsprofil über den Zell‐ und Lebenszyklus von D. discoideum angelegt werden. Besonders interessant sind dabei die Ergebnisse eines ursprünglichen Wildtypstammes (NC4), dessen dnmA‐Expressionsprofil quantitativ von anderen Wildtypstämmen abweicht. Auch auf Proteinebene konnten Zellzyklus‐abhängige Effekte von DnmA bestimmt werden. Durch mikroskopische Untersuchungen von verschiedenen DnmA‐GFP‐Stämmen wurden Lokalisationsänderungen während der Mitose gezeigt. Weiterhin wurde ein DnmA‐GFP‐Konstrukt unter der Kontrolle des endogenen Promotors generiert, wodurch das Protein in der Entwicklung eindeutig als Zelltypus spezifisches Protein, nämlich als Präsporen‐ bzw. Sporenspezifisches Protein, identifiziert werden konnte. Für die in vivo Analyse der katalytischen Aktivität des Enzyms konnten nun die Erkenntnisse aus der Charakterisierung des Gens bzw. Proteins berücksichtigt werden, um in vivo Substratkandidaten zu testen. Es zeigte sich, dass von allen bisherigen Substrat Kandidaten lediglich die tRNA^Asp als in vivo Substrat bestätigt werden konnte. Als besondere Erkenntnis konnte hierbei ein quantitativer Unterschied des Methylierungslevels zwischen verschiedenen Wildtypstämmen detektiert werden. Weiterhin wurde die Methylierung sowie Bindung an einen DNA‐Substratkandidaten ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass DnmA äußerst sequenzspezifisch mit Abschnitten des Retrotransposons DIRS‐1 in vivo eine Bindung eingeht. Auch für den Substrakandidaten snRNA‐U2 konnte eine stabile in vitro Komplexbildung zwischen U2 und hDnmt2 gezeigt werden. Insgesamt erfolgte auf Basis der ermittelten Expressionsdaten eine erneute Charakterisierung der Aktivität des Enzyms und der Substrate in vivo und in vitro.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.