Development of bioreactors for nitrifying sewage

Nitrification is the biological oxidation of ammonium, first to nitrite and then to nitrate by two groups of aerobic, chemolithotrophic bacteria belonging to the family Nitrobacteriaceae. The biological nitrification in municipal wastewater treatment is important in those cases were ammonia removal requirement specially exist. In a trickling filter or in an activated sludge system nitrification is rate limiting and thus necessitates longer detention time. The combined carbon oxidation-nitrification processes generally have low population of nitrifiers due to a high ratio of BOD to total nitrogen in the effluent. This necessitates, separate carbon and nitrogen oxidation processes, which thus minimizes wash out ofthe nitrifiers. Therefore, a separate stage nitrification has become essential to achieve faster and efficient removal of ammonia from the wastewater. The present work deals with the development of bio reactor for nitrifying of sewage as the tertiary process so that the treated wastewater can be used for irrigation, algal culture or fish culture

Development of nitrifying bacterial consortia for immobilizing in nitrifying bioreactors designed for penaeid and non-penaeid larval rearing systems in the tropics

Two ammonia oxidizing (AMOPCU-1 and AMONPCU-1) and two nitrite oxidizing (NIOPCU-1 and NIONPCU-1) consortia for activating nitrifying bioreactors and thereby establishing nitrification in penaeid and non-penaeid hatchery systems were developed by enrichment. For further amplification of the consortia a simple medium having seawater (either salinity 30 ‰ or 15 ‰) as base, supplemented with NH4+-N/NO2--N and PO4- and pH adjusted to 8 was identified. During the amplification in a fermentor the consortia exhibited excessive wall growth and diminished their yield coefficient posing difficulty in harvesting the cells completely. The consortia consisted of both Gram negative and Gram-positive bacterial cells embedded in a mucilaginous matrix of glycocalyx - like material presumably composed of polysaccharides. The consortia besides being useful in activating nitrifying bioreactors developed for shrimp/prawn hatchery systems can also be used as bioaugmentors in the bioremediation of ammonia and nitrite toxicity in aquaculture systems.

Molecular characterization of the nitrifying bacterial consortia employed for the activation of bioreactors used in brackish and marine aquaculture systems

The addition of commercial nitrifying bacterial products has resulted in significant improvement of nitrification efficiency in recirculating aquaculture systems (RAS). We developed two nitrifying bacterial consortia (NBC) from marine and brackish water as start up cultures for immobilizing commercialized nitrifying bioreactors for RAS. In the present study, the community compositions of the NBC were analyzed by universal 16S rRNA gene and bacterial amoA gene sequencing and fluorescence in situ hybridization (FISH). This study demonstrated that both the consortia involved autotrophic nitrifiers, denitrifiers as well as heterotrophs. Abundant taxa of the brackish water heterotrophic bacterial isolates were Paenibacillus and Beijerinckia spp. whereas in the marine consortia they were Flavobacterium, Cytophaga and Gramella species. The bacterial amoA clones were clustered together with high similarity to Nitrosomonas sp. and uncultured beta Proteobacteria. FISH analysis detected ammonia oxidizers belonging to b subclass of proteobacteria and Nitrosospira sp. in both the consortia, and Nitrosococcus mobilis lineage only in the brackish water consortium and the halophilic Nitrosomonas sp. only in the marine consortium. However, nitrite oxidizers, Nitrobacter sp. and phylum Nitrospira were detected in both the consortia. The metabolites from nitrifiers might have been used by heterotrophs as carbon and energy sources making the consortia a stable biofilm.

Optimum growth requirements of nitrifying consortia developed from treated sewage

The optimum growth requirements of two nitrifying consortia developed from treated sewage by enrichment technique were determined by a series of experiments. There was total inhibition of nitrification at above 2.75 g r' NH/- Nand 2.5g r' N02' - N and the ammonia oxidizing consortium preferred a pH at 8.5 and the nitrite oxidizing consortium a pH of 7.5 as the optima for nitrification. Optimum temperatures were between 20° and 30°C for both the groups. As the rate of airnow was increased from I to 7 Ilmin, the build-up of N02- -N increased 10-fold and the consumption of N02- -N increased by a factor of 28.8 implying that the ammonia oxidizing consortium in a bioreactor required three times more aeration than that for nitrite oxidizers for ex pressing their full nitrifying potential. These data directly contribute for developing a fermentati on process for the mass production of nitrifiers as well as for designing bio reactors for nitrifying sewage.

Nutrient dynamics in the two lakes of Kerala, India

Distribution and chemistry of major inorganic forms of nutrients along with physico-chemical parameters were investigated. Surface sediments and overlying waters of the Ashtamudi and Vembanad Lakes were taken for the study, which is situated in the southwest coast of India. High concentrations of dissolved nitrogen and phosphorus compounds carried by the river leads to oxygen depletion in the water column. A concurrent increase in the bottom waters along with decrease in dissolved oxygen was noticed. This support to nitrification process operating in the sediment-water interface of the Ashtamudi and Vembanad Lake. Estuarine sediments are clayey sand to silty sand both in Ashtamudi and Vembanad in January and May. Present study indicates that the sediment texture is the major controlling factor in the distribution of these nutrient forms. For water samples nitrite, inorganic phosphate was high in Vembanad in January and May compared to Ashtamudi. For sediments, enhanced level of inorganic phosphate and nitrite was found in Vembanad during January and May. It had been observed that the level of N and P is more in sediments. A comparative assessment of the Ashtamudi and Vembanad Lake reveals that the Vembanad wetland is more deteriorated compared to the Ashtamudi wetland system

β-glucosidases from Aspergillus unguis NII 08123: Molecular characterization, properties and applications

Lignocellulosic biomass is probably the best alternative resource for biofuel production and it is composed mainly of cellulose, hemicelluloses and lignin. Cellulose is the most abundant among the three and conversion of cellulose to glucose is catalyzed by the enzyme cellulase. Cellulases are groups of enzymes act synergistically upon cellulose to produce glucose and comprise of endoglucanase, cellobiohydrolase and β-glucosidase. β -glucosidase assumes great importance due to the fact that it is the rate limiting enzyme. Endoglucanases (EG) produces nicks in the cellulose polymer exposing reducing and non reducing ends, cellobiohydrolases (CBH) acts upon the reducing or non reducing ends to liberate cellobiose units, and β - glucosidases (BGL) cleaves the cellobiose to liberate glucose completing the hydrolysis. . β -glucosidases undergo feedback inhibition by their own product- β glucose, and cellobiose which is their substrate. Few filamentous fungi produce glucose tolerant β - glucosidases which can overcome this inhibition by tolerating the product concentration to a particular threshold. The present study had targeted a filamentous fungus producing glucose tolerant β - glucosidase which was identified by morphological as well as molecular method. The fungus showed 99% similarity to Aspergillus unguis strain which comes under the Aspergillus nidulans group where most of the glucose tolerant β -glucosidase belongs. The culture was designated the strain number NII 08123 and was deposited in the NII culture collection at CSIR-NIIST. β -glucosidase multiplicity is a common occurrence in fungal world and in A.unguis this was demonstrated using zymogram analysis. A total 5 extracellular isoforms were detected in fungus and the expression levels of these five isoforms varied based on the carbon source available in the medium. Three of these 5 isoforms were expressed in higher levels as identified by the increased fluorescence (due to larger amounts of MUG breakdown by enzyme action) and was speculated to contribute significantly to the total _- β glucosidase activity. These isoforms were named as BGL 1, BGL3 and BGL 5. Among the three, BGL5 was demonstrated to be the glucose tolerant β -glucosidase and this was a low molecular weight protein. Major fraction was a high molecular weight protein but with lesser tolerance to glucose. BGL 3 was between the two in both activity and glucose tolerance.121 Glucose tolerant .β -glucosidase was purified and characterized and kinetic analysis showed that the glucose inhibition constant (Ki) of the protein is 800mM and Km and Vmax of the enzyme was found to be 4.854 mM and 2.946 mol min-1mg protein-1respectively. The optimumtemperature was 60°C and pH 6.0. The molecular weight of the purified protein was ~10kDa in both SDS as well as Native PAGE indicating that the glucose tolerant BGL is a monomeric protein.The major β -glucosidase, BGL1 had a pH and temperature optima of 5.0 and 60 °C respectively. The apparent molecular weight of the Native protein is 240kDa. The Vmax and Km was 78.8 mol min-1mg protein-1 and 0.326mM respectively. Degenerate primers were designed for glycosyl hydrolase families 1, 3 and 5 and the BGL genes were amplified from genomic DNA of Aspergillus unguis. The sequence analyses performed on the amplicons results confirmed the presence of all the three genes. Amplicon with a size of ~500bp was sequenced and which matched to a GH1 –BGL from Aspergillus oryzae. GH3 degenerate primers producing amplicons were sequenced and the sequences matched to β - glucosidase of GH3 family from Aspergillus nidulans and Aspergillus acculateus. GH5 degenerate primers also gave amplification and sequencing results indicated the presence of GH5 family BGL gene in the Aspergillus unguis genomic DNA.From the partial gene sequencing results, specific as well as degenerate primers were designed for TAIL PCR. Sequencing results of the 1.0 Kb amplicon matched Aspergillus nidulans β -glucosidase gene which belongs to the GH1 family. The sequence mainly covered the N-Terminal region of the matching peptide. All the three BGL proteins ie. BGL1, BGL3 and BGL5 were purified by chromatography an electro elution from Native PAGE gels and were subjected to MALDI-TOF mass spectrometric analysis. The results showed that BGL1 peptide mass matched to . β -glucosidase-I of Aspergillus flavus which is a 92kDa protein with 69% protein coverage. The glucose tolerant β -glucosidase BGL5 mass matched to the catalytic C-terminal domain of β -glucosidase-F from Emericella nidulans, but the protein coverage was very low compared to the size of the Emericella nidulans protein. While comparing the size of BGL5 from Aspergillus unguis, the protein sequence coverage is more than 80%. BGL F is a glycosyl hydrolase family 3 protein.The properties of BGL5 seem to be very unique, in that it is a GH3 β -glucosidase with a very low molecular weight of ~10kDa and at the same time having catalytic activity and glucose 122 tolerance which is as yet un-described in GH β -glucosidases. The occurrence of a fully functional 10kDA protein with glucose tolerant BGL activity has tremendous implications both from the points of understanding the structure function relationships as well as for applications of BGL enzymes. BGL-3 showed similarity to BGL1 of Aspergillus aculateus which was another GH3 β -glucosidase. It may be noted that though PCR could detect GH1, GH3 and GH5 β-glucosidases in the fungus, the major isoforms BGL1 BGL3 and BGL5 were all GH3 family enzymes. This would imply that β-glucosidases belonging to other families may also co-exist in the fungus and the other minor isoforms detected in zymograms may account for them. In biomass hydrolysis, GT-BGL containing BGL enzyme was supplemented to cellulase and the performances of blends were compared with a cocktail where commercial β- glucosidase was supplemented to the biomass hydrolyzing enzyme preparation. The cocktail supplemented with A unguis BGL preparation yielded 555mg/g sugar in 12h compared to the commercial enzyme preparation which gave only 333mg/g in the same period and the maximum sugar yield of 858 mg/g was attained in 36h by the cocktail containing A. unguis BGL. While the commercial enzyme achieved almost similar sugar yield in 24h, there was rapid drop in sugar concentration after that, indicating probably the conversion of glucose back to di-or oligosaccharides by the transglycosylation activity of the BGl in that preparation. Compared this, the A.unguis enzyme containing preparation supported peak yields for longer duration (upto 48h) which is important for biomass conversion to other products since the hydrolysate has to undergo certain unit operations before it goes into the next stage ie – fermentation in any bioprocesses for production of either fuels or chemicals.. Most importantly the Aspergillus unguis BGL preparation yields approximately 1.6 fold increase in the sugar release compared to the commercial BGL within 12h of time interval and 2.25 fold increase in the sugar release compared to the control ie. Cellulase without BGL supplementation. The current study therefore leads to the identification of a potent new isolate producing glucose tolerant β - glucosidase. The organism identified as Aspergillus unguis comes under the Aspergillus nidulans group where most of the GT-BGL producers belong and the detailed studies showed that the glucose tolerant β -glucosidase was a very low molecular weight protein which probably belongs to the glycosyl hydrolase family 3. Inhibition kinetic studies helped to understand the Ki and it is the second highest among the nidulans group of Aspergilli. This has promoted us for a detailed study regarding the mechanism of glucose tolerance. The proteomic 123 analyses clearly indicate the presence of GH3 catalytic domain in the protein. Since the size of the protein is very low and still its active and showed glucose tolerance it is speculated that this could be an entirely new protein or the modification of the existing β -glucosidase with only the catalytic domain present in it. Hydrolysis experiments also qualify this BGL, a suitable candidate for the enzyme cocktail development for biomass hydrolysis

Studies on nitrifying microorganisms in Cochin Estuary and adjacent coastal waters

This thesis entitled “Studies on Nitrifying Microorganisms in Cochin Estuary and Adjacent Coastal Waters” reports for the first time the spatial andtemporal variations in the abundance and activity of nitrifiers (Ammonia oxidizingbacteria-AOB; Nitrite oxidizing bacteria- NOB and Ammonia oxidizing archaea-AOA) from the Cochin Estuary (CE), a monsoon driven, nutrient rich tropicalestuary along the southwest coast of India. To fulfil the above objectives, field observations were carried out for aperiod of one year (2011) in the CE. Surface (1 m below surface) and near-bottomwater samples were collected from four locations (stations 1 to 3 in estuary and 4 in coastal region), covering pre-monsoon, monsoon and post-monsoon seasons. Station 1 is a low saline station (salinity range 0-10) with high freshwater influx While stations 2 and 3 are intermediately saline stations (salinity ranges 10-25). Station 4 is located ~20 km away from station 3 with least influence of fresh water and is considered as high saline (salinity range 25- 35) station. Ambient physicochemical parameters like temperature, pH, salinity, dissolved oxygen (DO), Ammonium, nitrite, nitrate, phosphate and silicate of surface and bottom waters were measured using standard techniques. Abundance of Eubacteria, total Archaea and ammonia and nitrite oxidizing bacteria (AOB and NOB) were quantified using Fluorescent in situ Hybridization (FISH) with oligonucleotide probes labeled withCy3. Community structure of AOB and AOA was studied using PCR Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) technique. PCR products were cloned and sequenced to determine approximate phylogenetic affiliations. Nitrification rate in the water samples were analyzed using chemical NaClO3 (inhibitor of nitrite oxidation), and ATU (inhibitor of ammonium oxidation). Contribution of AOA and AOB in ammonia oxidation process was measured based on the recovered ammonia oxidation rate. The contribution of AOB and AOA were analyzed after inhibiting the activities of AOB and AOA separately using specific protein inhibitors. To understand the factors influencing or controlling nitrification, various statistical tools were used viz. Karl Pearson’s correlation (to find out the relationship between environmental parameters, bacterial abundance and activity), three-way ANOVA (to find out the significant variation between observations), Canonical Discriminant Analysis (CDA) (for the discrimination of stations based on observations), Multivariate statistics, Principal components analysis (PCA) and Step up multiple regression model (SMRM) (First order interaction effects were applied to determine the significantly contributing biological and environmental parameters to the numerical abundance of nitrifiers). In the CE, nitrification is modulated by the complex interplay between different nitrifiers and environmental variables which in turn is dictated by various hydrodynamic characteristics like fresh water discharge and seawater influx brought in by river water discharge and flushing. AOB in the CE are more adapted to varying environmental conditions compared to AOA though the diversity of AOA is higher than AOB. The abundance and seasonality of AOB and NOB is influenced by the concentration of ammonia in the water column. AOB are the major players in modulating ammonia oxidation process in the water column of CE. The distribution pattern and seasonality of AOB and NOB in the CE suggest that these organisms coexist, and are responsible for modulating the entire nitrification process in the estuary. This process is fuelled by the cross feeding among different nitrifiers, which in turn is dictated by nutrient levels especially ammonia. Though nitrification modulates the increasing anthropogenic ammonia concentration the anthropogenic inputs have to be controlled to prevent eutrophication and associated environmental changes.

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.

Salinity-induced changes in the microbial use of sugarcane filter cake added to soil

Five laboratory incubation experiments were carried out to assess the salinity-induced changes in the microbial use of sugarcane filter cake added to soil. The first laboratory experiment was carried out to prove the hypothesis that the lower content of fungal biomass in a saline soil reduces the decomposition of a complex organic substrate in comparison to a non-saline soil under acidic conditions. Three different rates (0.5, 1.0, and 2.0%) of sugarcane filter cake were added to both soils and incubated for 63 days at 30°C. In the saline control soil without amendment, cumulative CO2 production was 70% greater than in the corresponding non-saline control soil, but the formation of inorganic N did not differ between these two soils. However, nitrification was inhibited in the saline soil. The increase in cumulative CO2 production by adding filter cake was similar in both soils, corresponding to 29% of the filter cake C at all three addition rates. Also the increases in microbial biomass C and biomass N were linearly related to the amount of filter cake added, but this increase was slightly higher for both properties in the saline soil. In contrast to microbial biomass, the absolute increase in ergosterol content in the saline soil was on average only half that in the non-saline soil and it showed also strong temporal changes during the incubation: A strong initial increase after adding the filter cake was followed by a rapid decline. The addition of filter cake led to immobilisation of inorganic N in both soils. This immobilisation was not expected, because the total C-to-total N ratio of the filter cake was below 13 and the organic C-to-organic N ratio in the 0.5 M K2SO4 extract of this material was even lower at 9.2. The immobilisation was considerably higher in the saline soil than in the non-saline soil. The N immobilisation capacity of sugarcane filter cake should be considered when this material is applied to arable sites at high rations. The second incubation experiment was carried out to examine the N immobilizing effect of sugarcane filter cake (C/N ratio of 12.4) and to investigate whether mixing it with compost (C/N ratio of 10.5) has any synergistic effects on C and N mineralization after incorporation into the soil. Approximately 19% of the compost C added and 37% of the filter cake C were evolved as CO2, assuming that the amendments had no effects on the decomposition of soil organic C. However, only 28% of the added filter cake was lost according to the total C and d13C values. Filter cake and compost contained initially significant concentrations of inorganic N, which was nearly completely immobilized between day 7 and 14 of the incubation in most cases. After day 14, N re-mineralization occurred at an average rate of 0.73 µg N g-1 soil d-1 in most amendment treatments, paralleling the N mineralization rate of the non-amended control without significant difference. No significant net N mineralization from the amendment N occurred in any of the amendment treatments in comparison to the control. The addition of compost and filter cake resulted in a linear increase in microbial biomass C with increasing amounts of C added. This increase was not affected by differences in substrate quality, especially the three times larger content of K2SO4 extractable organic C in the sugarcane filter cake. In most amendment treatments, microbial biomass C and biomass N increased until the end of the incubation. No synergistic effects could be observed in the mixture treatments of compost and sugarcane filter cake. The third 42-day incubation experiment was conducted to answer the questions whether the decomposition of sugarcane filter cake also result in immobilization of nitrogen in a saline alkaline soil and whether the mixing of sugarcane filter cake with glucose (adjusted to a C/N ratio of 12.5 with (NH4)2SO4) change its decomposition. The relative percentage CO2 evolved increased from 35% of the added C in the pure 0.5% filter cake treatment to 41% in the 0.5% filter cake +0.25% glucose treatment to 48% in the 0.5% filter cake +0.5% glucose treatment. The three different amendment treatments led to immediate increases in microbial biomass C and biomass N within 6 h that persisted only in the pure filter cake treatment until the end of the incubation. The fungal cell-membrane component ergosterol showed initially an over-proportionate increase in relation to microbial biomass C that fully disappeared at the end of the incubation. The cellulase activity showed a 5-fold increase after filter cake addition, which was not further increased by the additional glucose amendment. The cellulase activity showed an exponential decline to values around 4% of the initial value in all treatments. The amount of inorganic N immobilized from day 0 to day 14 increased with increasing amount of C added in comparison to the control treatment. Since day 14, the immobilized N was re-mineralized at rates between 1.31 and 1.51 µg N g-1 soil d-1 in the amendment treatments and was thus more than doubled in comparison with the control treatment. This means that the re-mineralization rate is independent from the actual size of the microbial residues pool and also independent from the size of the soil microbial biomass. Other unknown soil properties seem to form a soil-specific gate for the release of inorganic N. The fourth incubation experiment was carried out with the objective of assessing the effects of salt additions containing different anions (Cl-, SO42-, HCO3-) on the microbial use of sugarcane filter cake and dhancha leaves amended to inoculated sterile quartz sand. In the subsequent fifth experiment, the objective was to assess the effects of inoculum and temperature on the decomposition of sugar cane filter cake. In the fourth experiment, sugarcane filter cake led to significantly lower respiration rates, lower contents of extractable C and N, and lower contents of microbial biomass C and N than dhancha leaves, but to a higher respiratory quotient RQ and to a higher content of the fungal biomarker ergosterol. The RQ was significantly increased after salt addition, when comparing the average of all salinity treatments with the control. Differences in anion composition had no clear effects on the RQ values. In experiment 2, the rise in temperature from 20 to 40°C increased the CO2 production rate by a factor of 1.6, the O2 consumption rate by a factor of 1.9 and the ergosterol content by 60%. In contrast, the contents of microbial biomass N decreased by 60% and the RQ by 13%. The effects of the inoculation with a saline soil were in most cases negative and did not indicate a better adaptation of these organisms to salinity. The general effects of anion composition on microbial biomass and activity indices were small and inconsistent. Only the fraction of 0.5 M K2SO4 extractable C and N in non-fumigated soil was consistently increased in the 1.2 M NaHCO3 treatment of both experiments. In contrast to the small salinity effects, the quality of the substrate has overwhelming effects on microbial biomass and activity indices, especially on the fungal part of the microbial community.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

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.

Short-term effects of human urine fertiliser and wood ash on soil pH and electrical conductivity

The fertiliser value of human urine has been examined on several crops, yet little is known about its effects on key soil properties of agronomic significance. This study investigated temporal soil salinization potential of human urine fertiliser (HUF). It further looked at combined effects of human urine and wood ash (WA) on soil pH, urine-NH_3 volatilisation, soil electrical conductivity (EC), and basic cation contents of two Acrisols (Adenta and Toje series) from the coastal savannah zone of Ghana. The experiment was a factorial design conducted in the laboratory for 12 weeks. The results indicated an increase in soil pH by 1.2 units for Adenta series and 1 unit for Toje series after one week of HUF application followed by a decline by about 2 pH units for both soil types after twelve weeks. This was attributed to nitrification of ammonium to nitrate leading to acidification. The EC otherwise increased with HUF application creating slightly saline conditions in Toje series and non-saline conditions in Adenta series. When WA was applied with HUF, both soil pH and EC increased. In contrast, the HUF alone slightly salinized Toje series, but both soils remained non-saline whenWA and HUF were applied together. The application ofWA resulted in two-fold increase in Ca, Mg, K, and Na content compared to HUF alone. Hence, WA is a promising amendment of acid soils and could reduce the effect of soluble salts in human urine fertilizer, which is likely to cause soil salinity.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Optimization in the Technological Steps for the Fabrication of Large Area Micromirror Arrays

Micromirror arrays are a very strong candidate for future energy saving applications. Within this work, the fabrication process for these micromirror arrays has been optimized and some steps for the large area fabrication of micromirror modules were performed. At first the surface roughness of the insulation layer of silicon dioxide (SiO2) was investigated. This SiO2 thin layer was deposited on three different type of substrates i.e. silicon, glass and Polyethylene Naphthalate (PEN) substrates. The deposition techniques which has been used are Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Physical Vapor Deposition (PVD) and Ion Beam Sputter Deposition (IBSD). The thickness of the SiO2 thin layer was kept constant at 150nm for each deposition process. The surface roughness was measured by Stylus Profilometry and Atomic Force Microscopy (AFM). It was found that the layer which was deposited by IBSD has got the minimum surface roughness value and the layer which was deposited by PECVD process has the highest surface roughness value. During the same investigation, the substrate temperature of PECVD was varied from 80° C to 300° C with the step size of 40° C and it was found that the surface roughness keeps on increasing as the substrate holder temperature increases in the PECVD process. A new insulation layer system was proposed to minimize the dielectric breakdown effect in insulation layer for micromirror arrays. The conventional bilayer system was replaced by five layer system but the total thickness of insulation layer remains the same. It was found that during the actuation of micromirror arrays structure, the dielectric breakdown effect was reduced considerably as compared to the bilayer system. In the second step the fabrication process of the micromirror arrays was successfully adapted and transferred from glass substrates to the flexible PEN substrates by optimizing the conventional process recipe. In the last section, a large module of micromirror arrays was fabricated by electrically interconnecting four 10cm×10cm micromirror modules on a glass pane having dimensions of 21cm×21cm.

Pre-Attentive Segmentation in the Primary Visual Cortex

Stimuli outside classical receptive fields have been shown to exert significant influence over the activities of neurons in primary visual cortexWe propose that contextual influences are used for pre-attentive visual segmentation, in a new framework called segmentation without classification. This means that segmentation of an image into regions occurs without classification of features within a region or comparison of features between regions. This segmentation framework is simpler than previous computational approaches, making it implementable by V1 mechanisms, though higher leve l visual mechanisms are needed to refine its output. However, it easily handles a class of segmentation problems that are tricky in conventional methods. The cortex computes global region boundaries by detecting the breakdown of homogeneity or translation invariance in the input, using local intra-cortical interactions mediated by the horizontal connections. The difference between contextual influences near and far from region boundaries makes neural activities near region boundaries higher than elsewhere, making boundaries more salient for perceptual pop-out. This proposal is implemented in a biologically based model of V1, and demonstrated using examples of texture segmentation and figure-ground segregation. The model performs segmentation in exactly the same neural circuit that solves the dual problem of the enhancement of contours, as is suggested by experimental observations. Its behavior is compared with psychophysical and physiological data on segmentation, contour enhancement, and contextual influences. We discuss the implications of segmentation without classification and the predictions of our V1 model, and relate it to other phenomena such as asymmetry in visual search.