Das OEE-Protein 1 des Photosystem II (oxygen evolving enhancer) der Grünalge Scenedesmus obliquus besitzt Thioredoxin-Aktivität

Die Aminosäure-Sequenzierung an dem als "28 kDa-Thioredoxin f" beschriebenen Protein aus der Grünalge Scenedesmus obliquus hat gezeigt, dass dieses Protein mit dem als OEE bekannten Protein 1 aus dem Photosystem II identisch ist. Die früher postulierte Möglichkeit einer Fusion eines Thioredoxins mit einem Protein unbekannter Natur oder Insertion eines Thioredoxinfragments mit der typischen -Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-Sequenz in ein solches Protein hat sich nicht bestätigt. Durch Anwendung einer auf das 33 kDa OEE-Protein ausgerichteten Präparationsmethode konnte gezeigt werden, dass das "28 kDa-Trx f" tatsächlich in den Thylakoidmembranen lokalisiert ist. Das Protein kann so innerhalb eines Tages in hoher Reinheit aus den Thylakoidmembranfragmenten eines Algenrohhomogenats isoliert werden; dabei bleibt die Fähigkeit des OEE-Proteins das chloroplastidäre Enzym Fructosebisphosphatase (FbPase) zu stimulieren erhalten. Mit gleichen Methoden wurden die Grünalgen Chlorella vulgaris und Chlamydomonas reinhardtii auf außergewöhnliche Proteine mit Trx-f Aktivität untersucht. Die hitze- und säurestabile Proteinfraktion aus Chlorella vulgaris enthält ein Protein mit vergleichbarer Molmasse von 26 kDa, das ähnlich wie in Scenedesmus eine Stimulation der chloroplastidären Fructosebisphosphatase zeigt. In dem hitze- und säurestabilen Proteinextrakt aus Chlamydomonas reinhardtii wird solche Aktivität nicht beobachtet. Eine Probe des rekombinanten, homogenen OEE-Proteins aus Spinat wurde auf Stimulation der chloroplastidären FbPase und NADPH-abhängigen Malatdehydrogenase (MDH) untersucht. Das Spinat OEE-Protein 1 zeigt mit diesen Enzymen keine Aktivität. Da das OEE-Protein 1 in Scenedesmus starke FbPase-Stimulation zeigt, die anderen Scenedesmus-Thioredoxine mit Molmassen von 12 kDa (Trx I und II) jedoch hohe Aktivität mit der zellulären Ribonucleotidreduktase zeigen, wird postuliert, dass das OEE-Protein die Funktion des Trx-f in vivo ersetzt.

Root effects on the turnover of grain legume residues in soil

Das Ziel dieser Arbeit war, die Einflüsse von Wurzeln und Rhizodeposition auf den Umsatz von Körnerleguminosenresiduen und damit verknüpfte mikrobielle Prozesse zu untersuchen. In einem integrierten Versuch wurden Ackerbohne (Vicia faba L.), Erbse (Pisum sativum L.) und Weiße Lupine (Lupinus albus L.) untersucht. Der Versuch bestand aus drei Teilen, zwei Gefäß-Experimenten und einem Inkubationsexperiment, in denen ausgehend von einem Gefäß-Experiment derselbe Boden und dasselbe Pflanzenmaterial verwendet wurden. In Experiment I wurde die Stickstoff-Rhizodeposition der Körnerleguminosenarten, definiert als wurzelbürtiger N nach dem Entfernen aller sichtbaren Wurzeln im Boden, gemessen und der Verbleib des Rhizodepositions-N in verschiednenen Bodenpools untersucht. Dazu wurden die Leguminosen in einem Gefäßversuch unter Verwendung einer in situ 15N-Docht-Methode mit einer 15N Harnstofflösung pulsmarkiert. In Experiment II wurde der Umsatz der N-Rhizodeposition der Körnerleguminosen und der Einfluss der Rhizodeposition auf den anschließenden C- und N-Umsatz der Körnerleguminosenresiduen in einem Inkubationsexperiment untersucht. In Experiment III wurde der N-Transfer aus den Körnerleguminosenresiduen einschließlich N-Rhizodeposition in die mikrobielle Biomasse und die Folgefrüchte Weizen (Triticum aestivum L.) und Raps (Brassica napus L.) in einem Gewächshaus-Gefäßversuch ermittelt. Die in situ 15N Docht-Markierungs-Methode wies hohe 15N Wiederfindungsraten von ungefähr 84 Prozent für alle drei Leguminosenarten auf und zeigte eine vergleichsweise homogene 15N Verteilung zwischen verschiedenen Pflanzenteilen zur Reife. Die Wurzeln zeigten deutliche Effekte auf die N-Dynamik nach dem Anbau von Körnerleguminosen. Die Effekte konnten auf die N-Rhizodeposition und deren anschließenden Umsatz, Einflüsse der Rhizodeposition von Körnerleguminosen auf den anschließenden Umsatz ihrer Residuen (Stängel, Blätter, erfassbare Wurzeln) und die Wirkungen nachfolgender Nichtleguminosen auf den Umsatzprozess der Residuen zurückgeführt werden: Die N-Rhizodeposition betrug zur Reife der Pflanzen bezogen auf die Gesamt-N- Aufnahme 13 Prozent bei Ackerbohne und Erbse und 16 Prozent bei Weißer Lupine. Bezogen auf den Residual N nach Ernte der Körner erhöhte sich der relative Anteil auf 35 - 44 Prozent. Die N-Rhizodeposition ist daher ein wesentlicher Pool für die N-Bilanz von Körnerleguminosen und trägt wesentlich zur Erklärung positiver Fruchtfolgeeffekte nach Körnerleguminosen bei. 7 - 21 Prozent des Rhizodepositions-N wurden als Feinwurzeln nach Nasssiebung (200 µm) wiedergefunden. Nur 14 - 18 Prozent des Rhizodepositions-N wurde in der mikrobiellen Biomasse und ein sehr kleiner Anteil von 3 - 7 Prozent in der mineralischen N Fraktion gefunden. 48 bis 72 Prozent der N-Rhizodeposition konnte in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden. Dieser Teil dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein. Nach 168 Tagen Inkubation wurden 21 bis 27 Prozent des Rhizodepositions-N in den mineralisiert. Der mineralisierte N stammte im wesentlichen aus zwei Pools: Zwischen 30 Prozent und 55 Prozent wurde aus der mikrobiellen Residualmasse mineralisiert und eine kleinere Menge stammte aus der mikrobielle Biomasse. Der Einfluss der Rhizodeposition auf den Umsatz der Residuen war indifferent. Durch Rhizodeposition wurde die C Mineralisierung der Leguminosenresiduen nur in der Lupinenvariante erhöht, wobei der mikrobielle N und die Bildung von mikrobieller Residualmasse aus den Leguminosenresiduen in allen Varianten durch Rhizodepositionseinflüsse erhöht waren. Das Potential des residualen Körnerleguminosen-N für die N Ernährung von Folgefrüchten war gering. Nur 8 - 12 Prozent des residualen N wurden in den Folgenfrüchten Weizen und Raps wiedergefunden. Durch die Berücksichtigung des Rhizodepositions-N war der relative Anteil des Residual-N bezogen auf die Gesamt-N-Aufnahme der Folgefrucht hoch und betrug zwischen 18 und 46 Prozent. Dies lässt auf einen höheren N-Beitrag der Körnerleguminosen schließen als bisher angenommen wurde. Die residuale N-Aufnahme von Weizen von der Blüte bis zur Reife wurde durch den Residual-N gespeist, der zur Blüte in der mikrobiellen Biomasse immobilisiert worden war. Die gesamte Poolgröße, Residual-N in der mikrobiellen Biomasse und in Weizen, veränderte sich von der Blüte bis zur Reife nicht. Jedoch konnte ein Rest von 80 Prozent des Residual-N in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden und dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein oder ist noch nicht abgebaut worden. Die zwei unterschiedlichen Folgefrüchte - Weizen und Raps - zeigten sehr ähnliche Muster bei der N-Aufnahme, der Residual-N Wiederfindung und bei mikrobiellen Parametern für die Residuen der drei Körnerleguminosenarten. Ein differenzierender Effekt auf den Umsatz der Residuen bzw. auf das Residual-N-Aneignungsvermögen der Folgefrüchte konnte nicht beobachtet werden.

Application of biogas slurries from energy crops to arable soils and their impact on carbon and nitrogen dynamics

The use of renewable primary products as co-substrate or single substrate for biogas production has increased consistently over the last few years. Maize silage is the preferential energy crop used for fermentation due to its high methane (CH4) yield per hectare. Equally, the by-product, namely biogas slurry (BS), is used with increasing frequency as organic fertilizer to return nutrients to the soil and to maintain or increase the organic matter stocks and soil fertility. Studies concerning the application of energy crop-derived BS on the carbon (C) and nitrogen (N) mineralization dynamics are scarce. Thus, this thesis focused on the following objectives: I) The determination of the effects caused by rainfall patterns on the C and N dynamics from two contrasting organic fertilizers, namely BS from maize silage and composted cattle manure (CM), by monitoring emissions of nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2) and CH4 as well as leaching losses of C and N. II) The investigation of the impact of differences in soil moisture content after the application of BS and temperature on gaseous emissions (CO2, N2O and CH4) and leaching of C and N compounds. III) A comparison of BS properties obtained from biogas plants with different substrate inputs and operating parameters and their effect on C and N dynamics after application to differently textured soils with varying application rates and water contents. For the objectives I) and II) two experiments (experiment I and II) using undisturbed soil cores of a Haplic Luvisol were carried out. Objective III) was studied on a third experiment (experiment III) with disturbed soil samples. During experiment I three rainfall patterns were implemented including constant irrigation, continuous irrigation with periodic heavy rainfall events, and partial drying with rewetting periods. Biogas slurry and CM were applied at a rate of 100 kg N ha-1. During experiment II constant irrigation and an irrigation pattern with partial drying with rewetting periods were carried out at 13.5°C and 23.5°C. The application of BS took place either directly before a rewetting period or one week after the rewetting period stopped. Experiment III included two soils of different texture which were mixed with ten BS’s originating from ten different biogas plants. Treatments included low, medium and high BS-N application rates and water contents ranging from 50% to 100% of water holding capacity (WHC). Experiment I and II showed that after the application of BS cumulative N2O emissions were 4 times (162 mg N2O-N m-2) higher compared to the application of CM caused by a higher content of mineral N (Nmin) in the form of ammonium (NH4+) in the BS. The cumulative emissions of CO2, however, were on the same level for both fertilizers indicating similar amounts of readily available C after composting and fermentation of organic material. Leaching losses occurred predominantly in the mineral form of nitrate (NO3-) and were higher in BS amended soils (9 mg NO3--N m-2) compared to CM amended soils (5 mg NO3--N m-2). The rainfall pattern in experiment I and II merely affected the temporal production of C and N emissions resulting in reduced CO2 and enhanced N2O emissions during stronger irrigation events, but showed no effect on the cumulative emissions. Overall, a significant increase of CH4 consumption under inconstant irrigation was found. The time of fertilization had no effect on the overall C and N dynamics. Increasing temperature from 13.5°C to 23.5°C enhanced the CO2 and N2O emissions by a factor of 1.7 and 3.7, respectively. Due to the increased microbial activity with increasing temperature soil respiration was enhanced. This led to decreasing oxygen (O2) contents which in turn promoted denitrification in soil due to the extension of anaerobic microsites. Leaching losses of NO3- were also significantly affected by increasing temperature whereas the consumption of CH4 was not affected. The third experiment showed that the input materials of biogas plants affected the properties of the resulting BS. In particular the contents of DM and NH4+ were determined by the amount of added plant biomass and excrement-based biomass, respectively. Correlations between BS properties and CO2 or N2O emissions were not detected. Solely the ammonia (NH3) emissions showed a positive correlation with NH4+ content in BS as well as a negative correlation with the total C (Ct) content. The BS-N application rates affected the relative CO2 emissions (% of C supplied with BS) when applied to silty soil as well as the relative N2O emissions (% of N supplied with BS) when applied to sandy soil. The impacts on the C and N dynamics induced by BS application were exceeded by the differences induced by soil texture. Presumably, due to the higher clay content in silty soils, organic matter was stabilized by organo-mineral interactions and NH4+ was adsorbed at the cation exchange sites. Different water contents induced highest CO2 emissions and therefore optimal conditions for microbial activity at 75% of WHC in both soils. Cumulative nitrification was also highest at 75% and 50% of WHC whereas the relative N2O emissions increased with water content and showed higher N2O losses in sandy soils. In summary it can be stated that the findings of the present thesis confirmed the high fertilizer value of BS’s, caused by high concentrations of NH4+ and labile organic compounds such as readily available carbon. These attributes of BS’s are to a great extent independent of the input materials of biogas plants. However, considerably gaseous and leaching losses of N may occur especially at high moisture contents. The emissions of N2O after field application corresponded with those of animal slurries.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.