Trends, drivers and impacts of changes in swidden cultivation in tropical forest-agriculture frontiers: A global assessment

This meta-analysis of land-cover transformations of the past 10-15 years in tropical forest-agriculture frontiers world-wide shows that swidden agriculture decreases in landscapes with access to local, national and international markets that encourage cattle production and cash cropping, including biofuels. Conservation policies and practices also accelerate changes in swidden by restricting forest clearing and encouraging commercial agriculture. However, swidden remains important in many frontier areas where farmers have unequal or insecure access to investment and market opportunities, or where multi-functionality of land uses has been preserved as a strategy to adapt to current ecological, economic and political circumstances. In some areas swidden remains important simply because intensification is not a viable choice, for example when population densities and/or food market demands are low. The transformation of swidden landscapes into more intensive land uses has generally increased household incomes, but has also led to negative effects on the social and human capital of local communities to varying degrees. From an environmental perspective, the transition from swidden to other land uses often contributes to permanent deforestation, loss of biodiversity, increased weed pressure, declines in soil fertility, and accelerated soil erosion. Our prognosis is that, despite the global trend towards land use intensification, in many areas swidden will remain part of rural landscapes as the safety component of diversified systems, particularly in response to risks and uncertainties associated with more intensive land use systems. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Interactions between calcium and heavy metals in Norway spruce : Accumulation and binding of metals in wood and bark

Waste products from the forest industry are to be spread in forests in Sweden to counteract nutrient depletion due to whole tree harvesting. This may increase the bioavailability of calcium (Ca) and heavy metals, such as cadmium (Cd), copper (Cu) and zinc (Zn) in forest soils. Heavy metals, like Cd, have already been enriched in forest soils in Sweden, due to deposition of air pollutions, and acidification of forest soils has increased the bioavailability of toxic metals for plant uptake. Changes in the bioavailability of metals may be reflected in altered accumulation of Ca and heavy metals in forest trees, changes in tree growth, including wood formation, and altered tree species composition. This thesis aims at examining: A) if inter- or intra- specific differences in sensitivity to Cd occur in the most common tree species of Sweden, and if so, to study if these can be explained by the uptake and distribution of Cd within the plant: B) how elevated levels of Ca, Cd, Cu and Zn affect the accumulation and attachment of metals in bark and wood, and growth of young Norway spruce (Picea abies): C) how waste products from the forest industry, such as wood ash, influence the contents of Ca, Cd, Cu and Zn in wood and bark of young Norway spruce. Sensitivity to Cd, and its uptake and distribution, in seedlings of Picea abies, Pinus sylvestris and Betula pendula from three regions (southern, central and northern parts) of Sweden, treated with varying concentrations of Cd, were compared. Differences in root sensitivity to Cd both among and within woody species were found and the differences could to some extent be explained by differences in uptake and translocation of Cd. The root sensitivity assays revealed that birch was the least, and spruce the most, sensitive species, both to the external and to tissue levels of Cd. The central ecotype of the species tested tended to be most Cd resistant. The radial distribution, accumulation and attachment of, and interactions between Ca and heavy metals in stems of two-year-old Norway spruce trees treated with elevated levels of Cd, Cu, Zn and/or Ca, were investigated. Further, the influence of these metals on growth, and on root metal content, was examined. Accumulation of the metals was enhanced in wood, bark and/or roots at elevated levels of the metal in question. Even at low levels of the metals, similar to after application of wood ash, an enhanced accumulation was apparent in wood and/or bark, except for Cd. The increased accumulation of Zn and Cu in the stem did not affect the growth. However, Cu decreased the accumulation of Ca in wood. Higher levels of Cu and Cd reduced the stem diameter and the toxic effect was associated with a reduced Ca content in wood. Copper and Cd also decreased the accumulation of Zn in the stem. On the other hand, elevated levels of Ca increased the stem diameter and reduced the accumulation of Cd, Cu, Zn and Mn in wood and/or bark. When metals interacted with each other the firmly bound fraction of the metal reduced was in almost all cases not affected. As an exception, Cd decreased the firmly bound fraction of Zn in the stem. The influence of pellets of wood ash (ash) or a mixture of wood ash and green liquor dregs (ash+GLD), in the amount of 3000 kg ha-1, on the contents of Ca, Cd, Cu and Zn in wood and bark of young Norway spruce in the field was examined. The effect of the treatments on the metal content of bark and wood was larger after 3 years than after 6 years. Treatment with ash+GLD had less effect on the heavy metal content of bark and wood than treatment with ash alone. The ash treatment increased the Cu and Zn content in bark and wood, respectively, after 3 years, and decreased the Ca content of the wood after 6 years. The ash+GLD treatment increased the Ca content of the bark and decreased the Zn content of bark and wood after 3 years. Both treatments reduced, or tended to decrease, the Cd content in wood and bark at both times. To conclude, small changes in the bioavailability of Ca, Cu, Cd and Zn in forest soils, such as after spreading pellets of wood ash or a mixture of wood ash and green liquor dregs from the forest industry, will be reflected in an altered accumulation of metals in wood and bark of Norway spruce. It will not only be reflected in changed accumulation of those metals in which bioavailability in the soil has been enhanced, but also of other metals, probably partly due to interactions between metals. When metals interact the exchangeable bound fraction of the metal reduced is suggested to be the main fraction affected. The small alterations in accumulation of metals should not affect the growth of Norway spruce, especially since the changes in accumulation of metals are low, and further since these decrease over time. However, as an exception, one positive and maybe persistent effect of the waste products is that these may decrease the accumulation of Cd in Norway spruce, which partly may be explained by competition with Ca for uptake, translocation and binding. A decreased accumulation of Cd in Norway spruce will probably affect the trees positively, since Norway spruce is one of the most sensitive species to Cd of the forest trees in Sweden. Thus, spreading of waste products from the forest industry may be a solution to decrease the accumulation of Cd in Norway spruce. In a longer perspective, this will decrease the risk of Cd altering the tree species composition of the forest ecosystem. An elevated bioavailability of Ca in forest soils will, in addition to Cd, probably also decrease the accumulation of other less competitive heavy metals, like Zn and Mn, in the stem.

Identifizierung und Quantifizierung von sauren Markersubstanzen für troposphärisches sekundäres organisches Aerosol aus biogenen Kohlenwasserstoffen mittels Kapillar-HPLC-ESI-MS n

Sekundäres organisches Aerosol (SOA) ist ein wichtiger Bestandteil von atmosphärischen Aerosolpartikeln. Atmosphärische Aerosole sind bedeutsam, da sie das Klima über direkte (Streuung und Absorption von Strahlung) und indirekte (Wolken-Kondensationskeime) Effekte beeinflussen. Nach bisherigen Schätzungen ist die SOA-Bildung aus biogenen Kohlenwasserstoffen global weit wichtiger als die SOA-Bildung aus anthropogenen Kohlenwasserstoffen. Reaktive Kohlenwasserstoffe, die in großen Mengen von der Vegetation emittiert werden und als die wichtigsten Vorläufersubstanzen für biogenes SOA gelten, sind die Terpene. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, welche die Quantifizierung von aciden Produkten der Terpen-Oxidation ermöglicht. Die Abscheidung des größenselektierten Aerosols (PM 2.5) erfolgte auf Quarzfilter, die unter Zuhilfenahme von Ultraschall mittels Methanol extrahiert wurden. Nach Aufkonzentrierung und Lösungsmittelwechsel auf Wasser sowie Standardaddition wurden die Proben mit einer Kapillar-HPLC-ESI-MSn-Methode analysiert. Das verwendete Ionenfallen-Massenspektrometer (LCQ-DECA) bietet die Möglichkeit, Strukturaufklärung durch selektive Fragmentierung der Qasimolekülionen zu betreiben. Die Quantifizierung erfolgte teilweise im MS/MS-Modus, wodurch Selektivität und Nachweisgrenze verbessert werden konnten. Um Produkte der Terpen-Oxidation zu identifizieren, die nicht als Standards erhältlich waren, wurden Ozonolysexperimente durchgeführt. Dadurch gelang die Identifizierung einer Reihe von Oxidationsprodukten in Realproben. Neben schon bekannten Produkten der Terpen-Oxidation konnten einige Produkte erstmals in Realproben eindeutig als Produkte des α Pinens nachgewiesen werden. In den Proben der Ozonolyseexperimente konnten auch Produkte mit hohem Molekulargewicht (>300 u) nachgewiesen werden, die Ähnlichkeit zeigen zu den als Dimeren oder Polymeren in der Literatur bezeichneten Substanzen. Sie konnten jedoch nicht in Feldproben gefunden werden. Im Rahmen von 5 Messkampagnen in Deutschland und Finnland wurden Proben der atmosphärischen Partikelphase genommen. Die Quantifizierung von Produkten der Oxidation von α-Pinen, β-Pinen, 3-Caren, Sabinen und Limonen in diesen Proben ergab eine große zeitliche und örtliche Variationsbreite der Konzentrationen. Die Konzentration von Pinsäure bewegte sich beispielsweise zwischen etwa 0,4 und 21 ng/m³ während aller Messkampagnen. Es konnten stets Produkte verschiedener Terpene nachgewiesen werden. Produkte einiger Terpene eignen sich sogar als Markersubstanzen für verschiedene Pflanzenarten. Sabinen-Produkte wie Sabinsäure können als Marker für die Emissionen von Laubbäumen wie Buchen oder Birken verwendet werden, während Caren-Produkte wie Caronsäure als Marker für Nadelbäume, speziell Kiefern, verwendet werden können. Mit den quantifizierten Substanzen als Marker wurde unter zu Hilfenahme von Messungen des Gehaltes an organischem und elementarem Kohlenstoff im Aerosol der Anteil des sekundären organischen Aerosols (SOA) errechnet, der von der Ozonolyse der Terpene stammt. Erstaunlicherweise konnten nur 1% bis 8% des SOA auf die Ozonolyse der Terpene zurückgeführt werden. Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Meinung, dass die Ozonolyse der Terpene die wichtigste Quelle für biogenes SOA darstellt. Gründe für diese Diskrepanz werden in der Arbeit diskutiert. Um die atmosphärischen Prozesse der Bildung von SOA vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.

Palynologie und Sedimentologie der Interglazialprofile Döttingen, Bonstorf, Munster und Bilshausen

Palynologie und Sedimentologie der Interglazialprofile Döttingen, Bonstorf, Munster und Bilshausen Zusammenfassung In der vorliegenden Dissertation wurden vier dem Holstein-Interglazial zugehörige Bohrkerne sowie ein rhumezeitlicher Bohrkern palynologisch und sedimentologisch bearbeitet. Die holsteinzeitlichen Bohrkerne stammen aus Kieselgurlagerstätten der Lüneburger Heide (Bonstorf und Munster) und aus einem Trockenmaar (Döttingen) in der Eifel. Der rhumezeitliche Kern stammt aus der Typlokalität Bilshausen im Harzvorland. Neben Prozentwertdiagrammen werden Pollendichte- und wenn möglich Polleninfluxwerte vorgestellt, die insbesondere für die Lokalitäten Hetendorf/Bonstorf und Munster/Breloh bisher nicht verfügbar waren. Mit dem Profil Döttingen konnte erstmals eine sowohl vollständige als auch nicht innerhalb des klassischen Aufkommens holsteinzeitlicher Fundstellen im norddeutschen Tiefland positionierte Holsteinsequenz aus dem deutschen Mittelgebirge dokumentiert werden. Das erhaltene Pollendiagramm bestätigt die aus den norddeutschen Profilen bekannte holsteintypische Vegetationsabfolge, durch die das Holstein gegenüber anderen Interglazialen wie Holozän, Eem oder Rhume palynologisch definiert ist. Neben der grundsätzlichen Übereinstimmung der Pollensequenz unterscheidet sich das Profil Döttingen aber deutlich im prozentualen Aufkommen der beteiligten Taxa von den norddeutschen Profilen. So wird eine hohe Alnus-Präsenz als Merkmal deutscher Holsteinprofile bestätigt, jedoch ist die, in den norddeutschen Lokalitäten durchhaltend hohe oder dominante Beteiligung von Pinus im deutschen Mittelgebirge nicht vorhanden und muss daher auf die Standortbedingungen Norddeutschlands zurückgeführt werden. Abies dagegen ist im Holstein der Mittelgebirge wesentlich präsenter als im norddeutschen Flachland. Im Profil Döttingen wurden insgesamt 10 Tephralagen gefunden. Auf eine dieser Tephren folgt ein „Birken-Kiefern-Gräser Vorstoß“, der palynostratigraphisch dem älteren „Birken-Kiefern Vorstoß“ in Munster/Breloh entspricht. Als eine Typologie des Holstein kann das in den Profilen Döttingen und Munster bestätigte intraholsteinzeitliche Carpinus-Minimum verstanden werden. An Hand sedimentologischer und palynologischer Befunde aus dem Bohrkern MU 2 muss die Existenz zweier, in der Literatur postulierter, postholsteinzeitlicher, „Nachschwankungen“ in Munster/Breloh in Frage gestellt, wenn nicht abgelehnt werden. In Kern MU 2 fallen palynostratigraphische Grenzen häufig mit Sandeinschaltungen zusammen. Eine dieser Sandeinschaltungen, nämlich unmittelbar vor dem älteren „Birken-Kiefern-Vorstoß“, korreliert in ihrer stratigraphischen Position mit der den „Birken-Kiefern-Gräser-Vorstoß“ im Profil Döttingen einleitenden Tephralage. Es gelang die Dauer des intraholsteinzeitlichen Carpinus Minimums auf etwa 1500±100 Jahre zu bestimmen und eine interne Zweigliederung zu dokumentieren. Im rhumezeitlichen Kern von Bilshausen (BI 1) konnten zahlreiche Störungen nachgewiesen werden. Insbesondere im Teufenbereich des Bilshausener „Birken-Kiefern-Vorstoßes“ deuten diese auf eine möglicherweise verfälschte Überlieferung. Der palynologisch markante „Lindenfall“ von Bilshausen liegt im Bereich einer isoklinalen Schichtenverfaltung. Die in der Literatur im Horizont des „Lindenfalls“ beschriebene „Bilshausentephra“ wurde nicht gefunden. Warvenzählungen an den Kernen MU 1, MU 2 und BI 1 ermöglichten Pollenzonendauern in Holstein- und Rhume-Interglazial zu bestimmen. Dabei wurde mittels den Warvenzählungen, unter zu Hilfenahme von Literaturdaten und von Schätzwerten eine Dauer für das Holstein-Interglazial sensu stricto (Pollenzonen I-XIV) von 15400-17800 Jahren und für das Rhume-Interglazial von wahrscheinlich 22000 Jahren bis maximal 26000 Jahren ermittelt.

Massenspektrometrische Untersuchungen und Nachweise von organischen Hydroperoxiden und höhermolekularen Verbindungen im biogenen sekundären organischen Aerosol

Atmosphärische Aerosole beeinflussen den Strahlungshaushalt und damit das Klima der Erde. Dies geschieht sowohl direkt (Streuung und Absorption), als auch indirekt (Wolkenkondensationskeime). Das sekundäre organische Aerosol (SOA) bildet einen wichtigen Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Seine Bildung erfolgt durch Reaktionen von Kohlenwasserstoffen mit atmosphärischen Oxidationsmitteln (z.B. Ozon, OH-Radikalen). Eine Klasse dieser Kohlenwasserstoffe sind die Terpene. Sie werden in großen Mengen durch die Vegetation emittiert und gelten als wichtige Vorläufersubstanzen des biogenen SOAs. In den Reaktionen von Monoterpenen und Sesquiterpenen mit atmosphärischen Reaktionspartnern wird eine große Vielfalt an multifunktionellen Reaktionsprodukten gebildet, von denen bis heute nur ein Bruchteil identifiziert werden konnte. In der vorliegenden Arbeit soll im Speziellen die Bildung von organischen Peroxiden und oligomeren Verbindungen im biogenen SOA untersucht und Nachweise einzelner Moleküle erbracht werden.rnFür eine Identifizierung von organischen Peroxiden aus der Oxidation einzelner Monoterpene und Sesquiterpene mit Ozon wurden die Reaktionsprodukte direkt in eine bei Atmosphärendruck arbeitende chemische Ionisationsquelle überführt und massenspektrometrisch untersucht (online-APCI-MS). Hierdurch konnten organische Hydroperoxide in der Partikelphase nachgewiesen werden, welche sich durch eine signifikante Abspaltung von H2O2 im Tandem-Massenspektrum (MS/MS) auszeichneten. Des Weiteren sollte die Bildung von höhermolekularen Verbindungen („Dimere“) im SOA des α-Pinens untersucht werden. Hierfür wurden zunächst die Reaktionsprodukte des Cyclohexens, das als einfache Modellverbindung des α-Pinens dient, mittels online-APCI-MS und offline durch Flüssigkeitschromatographie und Elektrospray-Ionenfallenmassenspektrometrie (HPLC/ESI-MS) untersucht. Verschiedene Produkte der Cyclohexen-Ozonolyse konnten hierbei als Esterverbindungen identifiziert werden, wobei eigens synthetisierte Referenzsubstanzen für die Identifizierung verwendet wurden. In einem weiteren Experiment, indem gleichzeitig Cyclohexen und α-Pinen mit Ozon umgesetzt wurden, konnten ebenfalls eine Bildung von höhermolekularen Estern nachgewiesen werden. Es handelte sich hierbei um „Mischester“, deren Struktur aus Reaktionsprodukten der beiden VOC-Vorläufermoleküle aufgebaut war. Durch diese neuen Erkenntnisse, über die Bildung von Estern im SOA des Cyclohexens, wurden die Dimer-Bildung einer reinen α-Pinen/Ozon-Reaktion online und offline massenspektrometrisch untersucht. Hier stellten sich als Hauptprodukte die Verbindungen mit m/z 357 und m/z 367 ([M-H]--Ionen) heraus, welche zudem erstmals auf einem Filter einer Realprobe aus Hyytiälä, Finnland nachgewiesen werden konnten. Aufgrund ihrer Fragmentierung in MS/MS-Untersuchungen sowie den exakten Summenformeln aus FT-MS Messungen konnte für die Struktur der höhermolekularen Verbindung mit m/z 367 ebenfalls ein Ester und für m/z 357 ein Peroxyhemiacetal vorgeschlagen werden. Die vorgeschlagene Struktur der Verbindung m/z 367 konnte im Anschluss über eine Reaktion aus Hydroxypinonsäure mit Pinsäure bestätigt werden. Die Identifizierung der Esterverbindung des α-Pinen-SOA erfolgte ebenfalls mit Hilfe von LC-MSn-Messungen.rnDie bisher diskutierten Ergebnisse, sowie die meisten in der Literatur beschriebenen Studien befassen sich jedoch mit einzelnen Vorläuferverbindungen, im Gegensatz zu den komplexen SOA-Proben aus den Emissionen der Vegetation. Im Rahmen einer Messkampagne am Forschungszentrum Jülich erfolgte eine massenspektrometrische Charakterisierung (online-APCI-MS) des SOAs aus direkten VOC-Emissionen von Pflanzen. Durch einen Vergleich der Produktverteilung dieser erhalten online-Massenspektren mit denen aus den Reaktionen einzelner VOCs, konnten Aussagen über die in den Reaktionen umgesetzten VOCs gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass in stressbedingten Situationen die untersuchten Exemplare der Betula pendula (Birke) hauptsächlich Sesquiterpene, Picea abies (Fichte) eher Monoterpene und Eucalyptus (Eukalyptus) sowohl Sesquiterpene als auch Monoterpene emittieren. Um die atmosphärischen Prozesse, die zur Bildung der Produkte im SOA führen vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.rn

Evaluation eines humanisierten Mausmodells der allergischen Atemwegsentzündung

Aus der zunehmenden Prävalenz allergischer Erkrankungen vor allem in den Industrienationen ergibt sich ein erhöhter Bedarf an Grundlagenforschung im Bereich von Allergie und Asthma sowie der Entwicklung innovativer Therapiestrategien. In der vorliegenden Dissertation wurden die immundefizienten Mausstämme NOD-Scid und NOD-Scid gc als vielversprechender translationaler Schritt zwischen dem reinen Tiermodell und der Erprobung neuer Therapieansätze an Probanden in klinischen Studien beleuchtet. Im experimentellen Verlauf der Arbeit wurde ein humanisiertes Mausmodell der allergischen Atemwegsentzündung zunächst in immundefizienten NOD-Scid und darauffolgend in NOD-Scid gc Mäusen etabliert. Diese Mausstämme zeichnen sich durch das Nichtvorhandensein von B- und T-Zellen aus. Im NOD-Scid gc Stamm resultiert aus einer zusätzlichen Mutation des Gens für die gamma-Kette des IL-2 Rezeptors der Verlust von natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), was die Immunität in diesem Stamm weiter herabsetzt und eine Humanisierung erleichtert. Die Humanisierung der Mäuse erfolgte durch die intraperitoneale Injektion von mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs), die unter Anwendung der Ficoll-Dichtezentrifugation aus dem Blut von Probanden isoliert wurden. Für die Gewinnung der PBMCs wurden zum einen Asthma-Patienten mit einer hochgradigen Sensibilisierung gegen Birkenpollen herangezogen. Zum anderen wurden in Kontrollexperimenten PBMCs nicht-allergischer Probanden verwendet. Während sich für den NOD-Scid Stamm 80 Millionen PBMCs als angemessene Transferzahl erwiesen, reichten für die Rekonstitution des NOD-Scid gc Stammes 5 Millionen PBMCs aus. Eine Analyse der Tiere erfolgte 24 Tage nach Injektion der humanen Zellen. Der Transfer der PBMCs allergischer Asthmatiker führte besonders nach additiver Applikation des Birkenallergens sowie des humanen rekombinanten Zytokins IL-4 und darauffolgender nasaler allergener Provokation zu einer starken pulmonalen Entzündung in den Mäusen. Die nasale Allergenprovokation an den Tagen 20-22 nach PBMC-Transfer erwies sich für das Aufkommen der Inflammation als unbedingt erforderlich. Die nasale Provokation mit Phosphat-gepufferter Salzlösung (PBS) mündete in einer herabgesetzten Inflammation ohne Ausprägung einer Atemwegsüberempfindlichkeit (AHR), reduzierten Zellzahlen in der bronchoalveolären Lavage (BAL) sowie verminderten Frequenzen humaner Zellen in den Lungen von Versuchstieren, die mit atopischen PBMCs supplementiert mit Birkenallergen und IL-4 rekonstituiert wurden. Die Allergenabhängigkeit des etablierten Modells wurde anhand von Experimenten untermauert, die verdeutlichten, dass ein Transfer von PBMCs nicht-allergischer Probanden trotz Zugabe des Allergens und humanem IL-4 keine Atemwegsinflammation auslöste. Bei den humanen Zellen, die an Tag 24 nach Rekonstitution in den Mäusen detektiert werden konnten, handelte es sich hauptsächlich um T-Zellen. Innerhalb dieser CD3+ T-Zellen konnten CD4+ und CD8+ T-Zellen differenziert werden. Depletionsexperimente, in denen nach Gewinnung der PBMCs aus dem Blut der Probanden verschiedene T-Zellsubpopulationen (CD3+, CD4+, CD8+) eliminiert wurden, führten zu dem Befund, dass die allergische Atemwegsentzündung in dem System von humanen CD4+ T-Zellen abhängig war. Nach der Etablierung des humanisierten Mausmodells der allergischen Atemwegsentzündung wurde das System zur Analyse des suppressionsfördernden Potentials des HIV-1 - Hüllproteins gp120 genutzt. Die Applikation von gp120 führte zu einer Reduktion der Atemwegsinflammation. Dies äußerte sich in einer Aufhebung der AHR, verminderten Zellzahlen in der BAL sowie dem reduzierten Einstrom humaner T-Zellen in die Lungen der rekonstituierten Tiere. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die anti-inflammatorische Wirkung des gp120 strikt von der Anwesenheit regulatorischer T-Zellen (Tregs) innerhalb der für die Humanisierung genutzten PBMCs abhängig war. Eine Depletion der Tregs vor Transfer in die Mäuse führte zum Verlust der anti-inflammatorischen Effekte des gp120. Diese Ergebnisse sprechen für die Modulation regulatorischer T-Zellen als hoffnungsvolle Maßnahme in der Behandlung allergischer Erkrankungen. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse eröffnen innovative Ansätze zur Analyse neuer Therapiestrategien in einem Testsystem, dass die Erforschung humaner Zellinteraktionen sowie die Wirkung potentieller Arzneistoffe auf humane Zellen unter in vivo Bedingungen erlaubt.

Analyse der T-Zellkreuzreaktivität bei Birkenpollenallergikern mit assoziierter Nahrungsmittelallergie

Eine Pollenallergie geht häufig mit einer sekundären Nahrungsmittelallergie einher, die durch die Kreuzreaktivität zwischen dem Pollen- und dem Nahrungsmittelallergen verursacht wird. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Kohorte von 20 Allergikern mit einer Typ I-Allergie gegen Birkenpollen und einer assoziierten Nahrungsmittelallergie gegen Haselnüsse und/oder Karotten in Bezug auf eine allergenspezifische IgE-Antwort, T-Zellantwort und vor allen Dingen hinsichtlich der T-Zellkreuzreaktivität zwischen den rekombinanten Allergenen Bet v 1, Cor a 1 und Dau c 1 charakterisiert. Verwendet wurde hierzu ein Zellkultursystem mit primären CD4+ T-Zellen ohne die Zugabe von exogenem IL-2 oder wiederholten Stimulationen. Zur Analyse der T-Zellkreuzreaktivität kamen zwei unterschiedliche Analyseverfahren zum Einsatz: zum einen der bewährte 3H-Thymidinassay und zum anderen eine neue durchflusszytometrische Methode, die auf der Verwendung von zwei unterschiedlichen Proliferationsfarbstoffen basiert.rnBei der Charakterisierung der T-Zellantwort konnte festgestellt werden, dass eine robuste Th2-Antwort vorliegt, die stark von dem Zytokin IL-5 dominiert wird, begleitet von einer signifikanten Produktion von IL-9 und IL-13, allerdings ohne die Beteiligung von IL-4.rnDes Weiteren konnte zum ersten Mal mit Hilfe eines dosisabhängigen Inhibitions-ELISA eine B-Zellkreuzreaktivität zwischen Bet v 1 und Cor a 1 gezeigt werden, wobei das Cor a 1-reaktive IgE prädominant ist und eine Subpopulation des Bet v 1-reaktiven IgE darstellt.rnMittels 3H-Thymidinassay konnte eine T-Zellkreuzreaktivität zwischen Bet v 1, Cor a 1 und in einem geringeren Maße zu Dau c 1 bei primären T-Zellen von Allergikern gezeigt werden. Ebenso konnte die Kreuzreaktivität zwischen Bet v 1 und Cor a 1 durch die neue durchflusszytometrische Methode bewiesen werden. Zusätzlich ist es mit Hilfe dieser neuen Methode nun möglich, zwischen den einzelnen T-Zellsubpopulationen zu unterscheiden, die sowohl nach primärer und sekundärer oder ausschließlich nach sekundärer Stimulation proliferieren. Es konnte festgestellt werden, dass die kreuzreaktiven T-Zellen aus der T-Zellsubpopulation hervorgehen, die bereits nach der primären Stimulations stark proliferiert haben. Somit kann also innerhalb des T-Zellrepertoires der allergischen Spender eine Prädominanz der kreuzreaktiven T-Zellsubpopulationen festgestellt werden. Eine monospezifische T-Zellsubpopulation konnte unter Verwendung der neuen Methode nicht detektiert werden.rnDas Ausmaß von Qualität und Quantität einer Kreuzreaktivität kann nun visualisiert werden, was dazu beitragen kann, das Protokoll einer SIT zu verbessern und optimal an den individuellen Patienten anzupassen, um möglicherweise eine größere Chance auf eine erfolgreiche Therapie in Aussicht zu stellen.

Effects of elevated atmospheric CO2 and O3 on wood density, antomical proerties and decomposition of Northern Hardwoods

Anthropogenic activities continue to drive atmospheric CO2 and O3 concentrations to levels higher than during the pre-industrial era. Accumulating evidence indicates that both elevated CO2 and elevated O3 could modify the quantity and biochemistry of woody plant biomass. Anatomical properties of woody plants are largely influenced by the activity of the cambium and the growth characteristics of wood cells, which are in turn influenced by a range of environmental factors. Hence, alterations in the concentrations of atmospheric CO2 and / or O3 could also impact wood anatomical properties. Many fungi derive their metabolic resources for growth from plant litter, including woody tissue, and therefore modifications in the quantity, biochemistry and anatomical properties of woody plants in response to elevated CO2 and / or O3 could impact the community of wood-decaying fungi and rates of wood decomposition. Consequently carbon and nutrient cycling and productivity of terrestrial ecosystem could also be impacted. Alterations in wood structure and biochemistry of woody plants could also impact wood density and subsequently impact wood quality. This dissertation examined the long term effects of elevated CO2 and / or O3 on wood anatomical properties, wood density, wood-decaying fungi and wood decomposition of northern hardwood tree species at the Aspen Free-Air CO2 and O3 Enrichment (Aspen FACE) project, near Rhinelander, WI, USA. Anatomical properties of wood varied significantly with species and aspen genotypes and radial position within the stem. Elevated CO2 did not have significant effects on wood anatomical properties in trembling aspen, paper birch or sugar maple, except for marginally increasing (P < 0.1) the number of vessels per square millimeter. Elevated O3 marginally or significantly altered vessel lumen diameter, cell wall area and vessel lumen area proportions depending on species and radial position. In line with the modifications in the anatomical properties, elevated CO2 and O3, alone, significantly modified wood density but effects were species and / or genotype specific. However, the effects of elevated CO2 and O3, alone, on wood anatomical properties and density were ameliorated when in combination. Wood species had a much greater impact on the wood-decaying fungal community and initial wood decomposition rate than did growth or decomposition of wood in elevated CO2 and / or O3. Polyporales, Agaricales, and Russulales were the dominant orders of fungi isolated. Based on the current results, future higher levels of CO2 and O3 may have moderate effects on wood quality of northern hardwoods, but for utilization purposes these may not be considered significant. However, wood-decaying fungal community composition and decomposition of northern hardwoods may be altered via shifts in species and / or genotype composition under future higher levels of CO2 and O3.

The influence of concurrent disturbances on plant community dynamics in northern hemlock-hardwood forests

Throughout the Upper Great Lakes region, alterations to historic disturbance regimes have influenced plant community dynamics in hemlock-hardwood forests. Several important mesic forest species, eastern hemlock (Tsuga canadensis), yellow birch (Betula alleghaniensis), eastern white pine (Pinus strobus), and Canada yew (Taxus canadensis), are in decline due to exploitive logging practices used at the turn of the 20th century and the wave of intense fires that followed. Continued regeneration and recruitment failure is attributed to contemporary forest management practices and overbrowsing by white-tailed deer (Odocoileus virginianus). Therefore, I examined the influence of two concurrent disturbances, overstory removal and herbivory, on plant community dynamics in two hemlock-hardwood forests. I measured the post-disturbance regeneration response (herbaceous and woody species) inside and outside of deer exclosures in 20 artificial canopy gaps (50 – 450 m2) and monitored survival and growth for hundreds of planted seedlings. The results of this research show that interacting disturbances can play a large role in shaping plant community composition and structure in hemlock-hardwood forests. White-tailed deer herbivory homogenized the post-disturbance plant communities across the experimental gradient of gap areas, essentially making species compositions in small gaps “look like” those in large gaps. Deer browsing also influenced probability of survival for planted Canada yew cuttings; all else being equal an individual was nearly seven times more likely to survive if protected from herbivory (P < 0.001). In contrast, the ability of sugar maple (Acer saccharum) to persist under high levels of herbivory and respond rapidly to overstory release appears to be related to the presence of stem layering(i.e., portions of below-ground prostrate stem). Layering occurred in 52% of excavated saplings (n = 100) and was significantly associated with increased post-disturbance height growth. Understory light was also important to planted seedling establishment and height growth. Higher levels of direct under-canopy light negatively impacted survival for shade-tolerant hemlock and Canada yew, while an increase in diffuse light was linked to a higher probability of survival for yellow birch and height growth for hemlock and Canada yew. Increases in white pine height growth were also significantly associated with a decrease in canopy cover.

Promoting Biodiversity in Forest Ecosystems Using Ecological Forestry

A subset of forest management techniques, termed ecological forestry, have been developed in order to produce timber and maintain the ecological integrity of forest communities through practices that more closely mirror natural disturbance regimes. Even though alternative methods have been described and tested, these approaches still need to be established and analyzed in a variety of geographic regions in order to calibrate and measure effectiveness across different forest types. The primary objective of this research project was to assess whether group selection combined with legacy-tree retention could enhance mid-tolerant tree recruitment in a late-successional northern hardwood forest. In order to evaluate a novel alternative regeneration technique, 49 group-selection openings in three size classes were created in 2003 with a biological legacy tree retained in the center of each opening. Twenty reference sites, managed using single-tree selection, were also analyzed for comparison. The specific goals of the project were to: 1) determine the fate and persistence of the openings and legacy trees 2) assess the understory response of the group-selection openings versus the single-tree selection reference sites, and 3) evaluate the spatial patterns of yellow birch (Betula alleghaniensis Britt.) and eastern hemlock (Tsuga canadensis (L.) Carr.) in the group-selection openings. The results from 8-9 years post-study implementation and the changes that have occurred between 2004/5 and 2011/12 are discussed. The alternative regeneration technique developed and assessed in this study has the potential to enrich biodiversity in a range of forest types. Projected group-selection opening persistence rates ranged from 41-91 years. Openings from 500-1500 m2 are predicted to persist long enough for mid-tolerant tree recruitment. The legacy trees responded well to release and experienced a low mortality rate. Yellow birch (the primary shade mid-tolerant tree in the study area) densities increased with opening size. Maples surpassed all other species in abundance. In the sapling layer, sugar maple (Acer saccharum Marsh.) was 2 to over 300 times more abundant in the group-selection openings and 2 to 3 times more abundant in the references sites than all other species present. Red maple (Acer rubrum L.) was the second most abundant species present in the openings and reference sites. Spatial patterns of yellow birch and eastern hemlock in the openings were mostly aggregated. The southern edges of the largest openings contained the highest magnitude of yellow birch and eastern hemlock per unit area. Continued monitoring and additional treatments will likely be necessary in order to ensure underrepresented species successfully reach maturity.

The Amplifier - v. 7, no. 14

In this issue...Paul Harvey, Student Wives Club, Magma, Anaconda, Dick Crnich, John Birch Society, Coed Club, Yellowstone Park, Montana Power, Ed Speelman

Climatic and environmental changes during the Weichselian Lateglacial Interstadial in the Weerterbos region, the Netherlands

Lake sediment records from the Weerterbos region, in the southern Netherlands, were studied to reconstruct summer temperature and environmental changes during the Weichselian Lateglacial Interstadial. A sediment core obtained from a small lacustrine basin was analysed for multiple proxies, including lithological changes, oxygen isotopes of bulk carbonates, pollen and chironomids. It was found that the oxygen isotope record differed strongly from the other proxies. Based on a comparison with three additional lake sediment records from the same region, it emerged that the oxygen isotope records were strongly affected by local environmental conditions, impeding the distinction of a regional palaeoclimate signal. The chironomid-inferred July air temperature reconstruction produced inferred interstadial temperatures ranging between ∼15° and 18°C, largely consistent with previously published results from the northern part of the Netherlands. A temporary regressive phase in the pollen record, which can be tentatively correlated with the Older Dryas, preceded the expansion of birch woodland. Despite differences between the four pollen records from the Weerterbos region, a comparable regressive vegetation phase that was possibly the result of a shift to drier conditions could be discerned in all of the profiles. In addition, a temporary temperature decline of ∼1.5°C was inferred from the chironomid record during this regressive phase. The multi-proxy approach used here enabled a direct comparison of inferred changes in temperature, vegetation and environmental conditions at an individual site, while the multi-site approach provided insight into the factors influencing the pollen and isotope records from these small-scale depressions.

L’archéologie entre glaciers et sommets. Dernières découvertes dans les Alpes Bernoises (Cantons de Berne et du Valais, Suisse)

Connus sous le nom populaire de palafittes, les habitats préhistoriques construits sur les rives des lacs subalpins du Néolithique à l’aube de l’âge du Fer (entre 5300 et 700 av. J.-C.) offrent des informations exceptionnelles sur l’évolution culturelle d’une importante région européenne, grâce à la préservation remarquable des matériaux organiques, en particulier du bois. À partir de la deuxième moitié du XXe siècle, le perfectionnement des techniques de fouille subaquatiques et de la dendrochronologie permettront la construction d’un schéma chronologique précis pour l’Europe nord-alpine. Les recherches contribueront à des observations d’ordre écologique à l’échelle locale et régionale et à l’identification des rythmes de développement des villages. Sous l’égide de l'UNESCO, les années 2010 verront la constitution d’un inventaire vaste et uniforme des sites préhistoriques des lacs circumalpins, classés Patrimoine culturel mondial en juin 2011. De nombreux objets préhistoriques, romains et médiévaux ont été découverts entre 2003 et 2010, au Schnidejoch, un col des Alpes bernoises occidentales à 2756 m d’altitude, à la frontière entre les cantons de Berne et du Valais. Les hautes températures de l'été 2003 ont provoqué la fonte d'un petit champ de glace et mis en lumière les vestiges. Les recherches ont été programmées à la suite d’une série d’informations fournies par des randonneurs. Les objets en matière organique (bois, écorce de bouleau, cuir, fibres végétales) revêtent une très grande importance car ils ont permis l’obtention de plus d’une cinquantaine de datations radiocarbone ; elles indiquent le passage du col entre la moitié du Ve millénaire av. J.-C. et l’année 1000 de notre ère. En outre, les séries de datations suggèrent l’alternance de périodes de praticabilité et d’inaccessibilité du col. Le Schnidejoch est actuellement le plus ancien témoignage de la traversée des Alpes, reliant l‘Oberland bernois par les vallées de la Simme et du Rhône.

Vegetation responses to rapid warming and to minor climatic fluctuations during the Late-Glacial Interstadial (GI-1) at Gerzensee (Switzerland)

High-resolution pollen analyses made on the same samples on which the ratios of oxygen isotopes were measured that provided the time scale and a temperature proxy after correlation to NorthGRIP. (1) A primary succession: The vegetation responded to the rapid rise of temperatures around 14,685 yr BP, with a primary succession on a decadal to centennial time scale. The succession between ca 15,600 and 13,000 yr BP included: (1.1.) The replacement of shrub-tundra by woodland of Juniperus and tree birch (around 14,665 yr BP) (1.2.) The response of Juniperus pollen to the shift in oxygen isotopes in less than 20 yr, (1.3.) A sequence of population increases of Hippophaë rhamnoides (ca 14,600 yr BP), Salix spp. (ca 14,600 yr BP), Betula trees (ca.14,480 yr BP), Populus cf. tremula (ca. 14,300 yr BP), and Pinus cf. sylvestris (ca. 13,830 yr BP). (2) Biological processes: Plants responded to the rapid increase of summer temperatures on all organisational levels: (2.1) Individuals may have produced more pollen (e.g. Juniperus); (2.2) Populations increased or decreased (e.g. Juniperus, Betula, later Pinus), and (2.3) Populations changed their biogeographical range and may show migrational lags. (2.4) Plant communities changed in their composition because the species pools changed through immigration and (local) extinction. Some plant communities may have been without modern analogue.These mechanisms require increasing amounts of time. (2.5) Processes on the level of ecosystems, with species interactions, may involve various time scales. Besides competition and facilitation, nitrogen fixation is discussed. (3) The minor fluctuations of temperature during the Late-Glacial Interstadial, which are recorded in δ18O, resulted in only very minor changes in pollen during the Aegelsee Oscillation (Older Dryas biozone, GI-1d) and the Gerzensee Oscillation (GI-1b). (4) Biodiversity: The afforestation at the onset of Bølling coincided with a gradual increase of taxonomic diversity up to the time of the major Pinus expansion.