Frequency-Domain and Wide-Pulse Time-Domain Measurements of Lanthanide Luminescence and Lanthanide-Based Resonance Energy Transfer

Resonance energy transfer (RET) is a non-radiative transfer of the excitation energy from the initially excited luminescent donor to an acceptor. The requirements for the resonance energy transfer are: i) the spectral overlap between the donor emission spectrum and the acceptor absorption spectrum, ii) the close proximity of the donor and the acceptor, and iii) the suitable relative orientations of the donor emission and the acceptor absorption transition dipoles. As a result of the RET process the donor luminescence intensity and the donor lifetime are decreased. If the acceptor is luminescent, a sensitized acceptor emission appears. The rate of RET depends strongly on the donor–acceptor distance (r) and is inversely proportional to r6. The distance dependence of RET is utilized in binding assays. The proximity requirement and the selective detection of the RET-modified emission signal allow homogeneous separation free assays. The term lanthanide-based RET is used when luminescent lanthanide compounds are used as donors. The long luminescence lifetimes, the large Stokes’ shifts and the intense, sharply-spiked emission spectra of the lanthanide donors offer advantages over the conventional organic donor molecules. Both the organic lanthanide chelates and the inorganic up-converting phosphor (UCP) particles have been used as donor labels in the RET based binding assays. In the present work lanthanide luminescence and lanthanide-based resonance energy transfer phenomena were studied. Luminescence lifetime measurements had an essential role in the research. Modular frequency-domain and time-domain luminometers were assembled and used successfully in the lifetime measurements. The frequency-domain luminometer operated in the low frequency domain ( 100 kHz) and utilized a novel dual-phase lock-in detection of the luminescence. One of the studied phenomena was the recently discovered non-overlapping fluorescence resonance energy transfer (nFRET). The studied properties were the distance and temperature dependences of nFRET. The distance dependence was found to deviate from the Förster theory and a clear temperature dependence was observed whereas conventional RET was completely independent of the temperature. Based on the experimental results two thermally activated mechanisms were proposed for the nFRET process. The work with the UCP particles involved the measurement of the luminescence properties of the UCP particles synthesized in our laboratory. The goal of the UCP particle research is to develop UCP donor labels for binding assays. In the present work the effect of the dopant concentrations and the core–shell structure on the total up-conversion luminescence intensity, the red–green emission ratio, and the luminescence lifetime was studied. Also the non-radiative nature of the energy transfer from the UCP particle donors to organic acceptors was demonstrated for the first time in aqueous environment and with a controlled donor–acceptor distance.

Upconverting diagnostics: Multiplex assays utilizing upconversion luminescence technology

Conventional diagnostics tests and technologies typically allow only a single analysis and result per test. The aim of this study was to propose robust and multiplex array-inwell test platforms based on oligonucleotide and protein arrays combining the advantages of simple instrumentation and upconverting phosphor (UCP) reporter technology. The UCPs are luminescent lanthanide-doped crystals that have a unique capability to convert infrared radiation into visible light. No autofluorescence is produced from the sample under infrared excitation enabling the development of highly sensitive assays. In this study, an oligonucleotide array-in-well hybridization assay was developed for the detection and genotyping of human adenoviruses. The study provided a verification of the advantages and potential of the UCP-based reporter technology in multiplex assays as well as anti-Stokes photoluminescence detection with a new anti- Stokes photoluminescence imager. The developed assay was technically improved and used to detect and genotype adenovirus types from clinical specimens. Based on the results of the epidemiological study, an outbreak of adenovirus type B03 was observed in the autumn of 2010. A quantitative array-in-well immunoassay was developed for three target analytes (prostate specific antigen, thyroid stimulating hormone, and luteinizing hormone). In this study, quantitative results were obtained for each analyte and the analytical sensitivities in buffer were in clinically relevant range. Another protein-based array-inwell assay was developed for multiplex serodiagnostics. The developed assay was able to detect parvovirus B19 IgG and adenovirus IgG antibodies simultaneously from serum samples according to reference assays. The study demonstrated that the UCPtechnology is a robust detection method for diverse multiplex imaging-based array-inwell assays.

NIR-Vis Up-Conversion Luminescence in the Yb3+,Er3+ Doped Y2O2S, ZrO2, and NaYF4 Nanomaterials

Since the discovery of the up-conversion phenomenon, there has been an ever increasing interest in up-converting phosphors in which the absorption of two or more low energy photons is followed by emission of a higher energy photon. Most up-conversion luminescence materials operate by using a combination of a trivalent rare earth (lanthanide) sensitizer (e.g. Yb or Er) and an activator (e.g. Er, Ho, Tm or Pr) ion in a crystal lattice. Up-converting phosphors have a variety of potential applications as lasers and displays as well as inks for security printing (e.g. bank notes and bonds). One of the most sophisticated applications of lanthanide up-conversion luminescence is probably in medical diagnostics. However, there are some major problems in the use of photoluminescence based on the direct UV excitation in immunoassays. Human blood absorbs strongly UV radiation as well as the emission of the phosphor in the visible. A promising way to overcome the problems arising from the blood absorption is to use a long wavelength excitation and benefit from the up-conversion luminescence. Since there is practically no absorption by the whole-blood in the near IR region, it has no capability for up-conversion in the excitation wavelength region of the conventional up-converting phosphor based on the Yb3+ (sensitizer) and Er3+ (activator) combination. The aim of this work was to prepare nanocrystalline materials with high red (and green) up-conversion luminescence efficiency for use in quantitative whole-blood immunoassays. For coupling to biological compounds, nanometer-sized (crystallite size below 50 nm) up-converting phosphor particles are required. The nanocrystalline ZrO2:Yb3+,Er3+, Y2O2S:Yb3+,Er3+, NaYF4:Yb3+,Er3+ and NaRF4-NaR’F4 (R: Y, Yb, Er) materials, prepared with the combustion, sol-gel, flux, co-precipitation and solvothermal synthesis, were studied using the thermal analysis, FT-IR spectroscopy, transmission electron microscopy, EDX spectroscopy, XANES/EXAFS measurements, absorption spectroscopy, X-ray powder diffraction, as well as up-conversion and thermoluminescence spectroscopies. The effect of the impurities of the phosphors, crystallite size, as well as the crystal structure on the up-conversion luminescence intensity was analyzed. Finally, a new phenomenon, persistent up-conversion luminescence was introduced and discussed. For efficient use in bioassays, more work is needed to yield nanomaterials with smaller and more uniform crystallite sizes. Surface modifications need to be studied to improve the dispersion in water. On the other hand, further work must be carried out to optimize the persistent up-conversion luminescence of the nanomaterials to allow for their use as efficient immunoassay nanomaterials combining the advantages of both up-conversion and persistent luminescence.

Effect of Substrate Temperature on the Structural and Luminescent Characteristics of RF-Magnetron-Sputtered ZnGa2O4:Dy3+ Thin Films

ZnGa2O4:Dy3+ phosphor thin films were deposited on quartz substrates by radio frequency rf magnetron sputtering and the effect of substrate temperature on its structural and luminescent properties was investigated. Polycrystalline film could be deposited even at room temperature. The crystalline behavior, Zn/Ga ratio, and surface morphology of the films were found to be highly sensitive to substrate temperature. Under UV illumination, the as-deposited films at and above 300°C gave white luminescence even without any postdeposition treatments. The photoluminescent PL emission can be attributed to the combined effect of multicolor emissions from the single luminescence center Dy3+ via host-sensitization. Maximum PL emission intensity was observed for the film deposited at 600°C, and the CIE chromaticity coordinates of the emission were determined to be x,y = 0.34, 0.31 .

Electrical and Optical Properties of Znga2o4 Thin Films Deposited By Pulsed Laser Deposition

ZnGa2O4 spinel is a promising new UV transparent electronic conductor. Enhancing the electrical conductivity of this potential oxide phosphor can make it a promising transparent conducting oxide. In this paper, we have investigated the effects of processing and doping on the conductivity of semiconducting ZnGa2O4, particularly thin films. Crystalline zinc gallate thin films have been deposited on fused quartz substrates employing the pulsed laser deposition (PLD) technique at room temperature for an oxygen partial pressure of 0.1 Pa (0.001mbar). The films were found to be UV transparent, the band gap of which shifted to 4.75eV on hydrogen annealing. The band gap of the oxygen stoichiometric bulk powder samples (4.55eV) determined from diffuse reflection spectrum (DRS) shifted to 4.81eV on reduction in a hydrogen atmosphere. The electrical conductivity improved when Sn was incorporated into the ZnGa2O4 spinel. The conductivity of ZnGa2O4:Sn thin films was further improved on reduction.

A study of the white electroluminescence in ZnS:Cu,Pr,Cl phosphors

The method of preparation of ZnS phosphors doped with praseodymium and copper is given. The electroluminescence (EL) spectrum of ZnS:Pr,Cl has two broad bands at 470 and 570 nm. ZnS:Cu,Pr,Cl gives white emission with spectral peaks at 470, 520, 570 and 640 nm. The EL spectra of both types of phosphor exhibit a conspicuous colour shift as the frequency of the excitation voltage is varied. Detailed investigations show that the relative intensities of spectral peaks are strongly dependent on the frequency of the excitation voltage. The colour shift is explained on the basis of the Schon-Klasens model.

Luminescence studies of strontium sulphide based phosphors for display applications

This thesis has focused on the synthesis and analysis of some important phosphors (nano, bulk and thin film) for display applications. ACTFEL device with SrS:Cu as active layer was also fabricated.Three bulk phosphors: SrS:Cu,CI; SrS:Dy,Cl; and SrS:Dy,Cu,Cl were synthesized and their structural, optical and electrical properties were investigated. Special emphasis was given to, the analysis of the role of defects and charge compensating centers, on the structural changes of the host and hence the luminance. A new model describing the sensitizing behaviour of Cu in SrS:Dy,Cu,Cl two component phosphor was introduced. It was also found that addition of NH4CI as flux in SrS:Cu caused tremendous improvement in the structural and luminescence properties.A novel technique for ACTFEL phosphor deposition at low temperature was introduced. Polycrystalline films of SrS:Cu,F were synthesized at low temperature by concomitant evaporation of host and dopant by electron beam evaporation and thermal evaporatin methods.Copper doped strontium sulphide nanophosphor was synthesized for the first time. Improvement in the luminescence properties was observed in the nanophosphor with respect to it' s bulk counterpart.

Effect of Ce3+ Ion on the X-Ray Induced Fluorescence Emission from CaS

The effect of Ce3+ on the fluorescence emission from CaS:Ce3+ phosphor is studied using X-ray excitation. Apart from the emission in the visible region, the phosphor also shows fluorescence emission in the ultraviolet region. Variation in wavelengths and intensities of these emissions due to change in dopant concentration is also analysed.

Fabrication and the study of zinc sulphide based electroluminescent devices

This thesis contains the author's work in preparing efficient EL phosphors, the details of fabrication of low voltage operated thin film EL (TFEL) devices and DC TFEL devices. Some of the important work presented here are related to the white light emitting ZnS:Cu,Pr,Cl phosphor which can be colour tuned by changing the excitation frequency, observation of energy transfer from Cu/Ag ions to rare earth ions in ZnS:(Cu/Ag), RE,Cl phosphors, development of TFEL device which can be operated below 50V, optimization of the device parameters for long life, high brightness in terms of the active and insulating layer thicknesses, observation of dependence of threshold voltage for the onset of emission on frequency of excitation when a novel dielectric Eu2O3 film was used as insulator and the devices with multicolor emission using ZnS doped with rare earth as active layer. Characterization based on other devices based on ZnS:Sm, ZnS:Pr, ZnS:Dy and their emission characteristics are also illustrated

Studies on electroluminescence using Powder and thin film devices

The subject of electroluminescence has currently acquired great importance because of its potential applications in display systems of a wide variety. A large number of scientists working in commercial, governmental as well as academic institutions all over the world are at present engaged in the intense effort to develop new and efficient phosphor materials and electroluminescent devices. This thesis presents the work carried out by the author in this field during the past few years. The studies discussed in this thesis are mostly confined to the development of some new phosphor materials, their uses in powder and thin film electroluminescent devices and to their electrical and spectral characteristics. Care has been taken to bring' out the physics involved in all the above aspects of the phenomenon

Synthesis and Photoluminescence Properties of Novel Red Phosphors for White Light Emitting Diode Applications

Several series of Eu3+ based red emitting phosphor materials were synthesized using solid state reaction route and their properties were characterized. The present studies primarily investigated the photoluminescence properties of Eu3+ in a family of closely related host structure with a general formula Ln3MO7. The results presented in the previous chapters throws light to a basic understanding of the structure, phase formation and the photoluminescence properties of these compounds and their co-relations. The variation in the Eu3+ luminescence properties with different M cations was studied in Gd3-xMO7 (M = Nb, Sb, Ta) system.More ordering in the host lattice and more uniform distribution of Eu3+ ions resulting in the increased emission properties were observed in tantalate system.Influence of various lanthanide ion (Lu, Y, Gd, La) substitutions on the Eu3+ photoluminescence properties in Ln3MO7 host structures was also studied. The difference in emission profiles with different Ln ions demonstrated the influence of long range ordering, coordination of cations and ligand polarizability in the emission probabilities, intensity and quantum efficiency of these phosphor materials. Better luminescence of almost equally competing intensities from all the 4f transitions of Eu3+ was noticed for La3TaO7 system. Photoluminescence properties were further improved in La3TaO7 : Eu3+ phosphors by the incorporation of Ba2+ ions in La3+ site. New red phosphor materials Gd2-xGaTaO7 : xEu3+ exhibiting intense red emissions under UV excitation were prepared. Optimum doping level of Eu3+ in these different host lattices were experimentally determined. Some of the prepared samples exhibited higher emission intensities than the standard Y2O3 : Eu3+ red phosphors. In the present studies, Eu3+ acts as a structural probe determining the coordination and symmetry of the atoms in the host lattice. Results from the photoluminescence studies combined with the powder XRD and Raman spectroscopy investigations helped in the determination of the correct crystal structures and phase formation of the prepared compounds. Thus the controversy regarding the space groups of these compounds could be solved to a great extent. The variation in the space groups with different cation substitutions were discussed. There was only limited understanding regarding the various influential parameters of the photoluminescence properties of phosphor materials. From the given studies, the dependence of photoluminescence properties on the crystal structure and ordering of the host lattice, site symmetries, polarizability of the ions, distortions around the activator ion, uniformity in the activator distribution, concentration of the activator ion etc. were explained. Although the presented work does not directly evidence any application, the materials developed in the studies can be used for lighting applications together with other components for LED lighting. All the prepared samples were well excitable under near UV radiation. La3TaO7 : 0.15Eu3+ phosphor with high efficiency and intense orange red emissions can be used as a potential red component for the realization of white light with better color rendering properties. Gd2GaTaO7 : Eu3+, Bi2+ red phosphors give good color purity matching to NTSC standards of red. Some of these compounds exhibited higher emission intensities than the standard Y2O3 : Eu3+ red phosphors. However thermal stability and electrical output using these compounds should be studied further before applications. Based on the studies in the closely related Ln3MO7 structures, some ideas on selecting better host lattice for improved luminescence properties could be drawn. Analyzing the CTB position and the number of emission splits, a general understanding on the doping sites can be obtained. These results could be helpful for phosphor designs in other host systems also, for enhanced emission intensity and efficiency.

Herstellung von spannungsoptimierten Silizium-Membranen durch den elektrochemischen Ätzstopp an pn-Übergängen

Vielen Sensoren in mikroelektromechanische Systemen (MEMS) liegen Siliziummembranen zu Grunde. Die Membranen werden mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt. Zum Teil kann man Opferschichten benutzen. Will man jedoch Membranen aus kristallinem Silizium, so muß man auf Ätzstopptechniken zurückgreifen. Eine gängige Methode verwendet vergrabene p^(+)-Schichten. Die sehr hohe Dotierung des Siliziums führt jedoch zu unüberwindbaren Problemen bei der Schaltkreisintegration. Die Verwendung von pn-Übergängen beim elektrochemischen Ätzen als Ätzstopp scheint eine aussichtsreiche Lösung. Die Dotierstoffkonzentrationen sind unkritisch, da sie die Elektronik nicht beeinflussen. Die Siliziummembranen lassen sich mit den üblichen Standard-IC-Prozessen herstellen. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die physikalisch-chemische Erklärung des elektrochemischen Ätzstopps von Silizium in alkalischen Lösungen zu finden. Dabei sollten Effekte untersucht werden, die einen Einfluß auf das Ätzstoppverhalten haben, wozu insbesondere - die Verarmungszone unterhalb der p-Silizium/Elektrolyt-Phasengrenzfläche - sowie die Raumladungszone des in Sperrichtung geschalteten pn-Übergangs zählen. Ausgangspunkt sind die chemischen Ätzmechanismen des Siliziums respektive des Siliziumdioxids, wobei der Mechanismus des Siliziumätzens in alkalischen Lösungen und die elektrochemischen Effekte ausführlich beschrieben werden. Es zeigt sich ein starker Einfluß der Oberflächenelektronen im Leitungsband des Siliziums und der Hydroxidionen des Elektrolyten auf den Auflösungsmechanismus des Siliziums. Diese Erkenntnisse ermöglichen es, den mittels pn-Übergangs kontrollierten elektrochemischen Ätzstopp vollständig zu beschreiben. Es zeigte sich, daß die Dicke der Membran von den Dotierstoffkonzentrationen des p-Siliziumsubstrats und der n-Siliziumschicht, der Tiefe der n-Dotierung, der Temperatur im Ätzsystem und besonders von der anodischen Sperrspannung abhängig ist. Zur Verifizierung wurden Siliziummembrandicken mit Hilfe von IR-Ellipsometrie vermessen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch der es Einflusses von starken Dotierungen im Silizium auf dessen elastische Eigenschaften untersucht, im speziellen bei µm-dünnen Membranen, die mittels elektrochemischen Ätzstopps hergestellt wurden. Dabei wird auf den Einfluß der hohen Dotierstoffkonzentrationen ein besonderes Augenmerk gelegt. Der Youngsche Modul läßt sich bei einem Zugversuch durch Messung der Ausdehnung ermitteln. Für eine zerstörungsfreie Messung der sehr dünnen pn-Siliziummembranen wird die Dehnung berührungslos mit Hilfe des Laser-Speckle Extensometers gemessen. Laserakustische Oberflächenwellen wurden eingesetzt, um gezielt den Einfluß der unterschiedlich starken Dotierung mit Phosphor auf den Elastizitätsmodul zu ermitteln.

Microbial use of organic substrates and maize growth, especially in saline and alkaline soils of Pakistani Punjab

This thesis consists of 4 main parts: (1) impact of growing maize on the decomposition of incorporated fresh alfalfa residues, (2) relationships between soil biological and other soil properties in saline and alkaline arable soils from the Pakistani Punjab, (3) decomposition of compost and plant residues in Pakistani soils along a gradient in salinity, and (4) interactions of compost and triple superphosphate on the growth of maize in a saline Pakistani soil. These 4 chapters are framed by a General Introduction and a Conclusions section. (1) In the first study, the effects of growing maize plants on the microbial decomposition of freshly chopped alfalfa residues was investigated in a 90-day pot experiment using a sandy arable soil. Assuming that the addition of alfalfa residues did not affect the decomposition of native soil organic matter, only 27% of the alfalfa residues were found as CO2. This suggests that a considerable part of alfalfa-C remained undecomposed in the soil. However, only 6% of the alfalfa residues could be recovered as plant remains in treatment with solely alfalfa residues. Based on d13C values, it was calculated that plant remains in treatment maize + alfalfa residues contained 14.7% alfalfa residues and 85.3% maize root remains. This means 60% more alfalfa-C was recovered in this treatment. (2) In the second study, the interactions between soil physical, soil chemical and soil biological properties were analysed in 30 Pakistani soils from alkaline and saline arable sites differing strongly in salinisation and in soil pH. The soil biological properties were differentiated into indices for microbial activity, microbial biomass, and community structure with the aim of assessing their potential as soil fertility indices. (3) In the third study, 3 organic amendments (compost, maize straw and pea straw) were added to 5 Pakistani soils from a gradient in salinity. Although salinity has depressive effects on microbial biomass C, biomass N, biomass P, and ergosterol, the clear gradient according to the soil salt concentration was not reflected by the soil microbial properties. The addition of the 3 organic amendments always increased the contents of the microbial indices analysed. The amendment-induced increase was especially strong for microbial biomass P and reflected the total P content of the added substrates. (4) The fourth study was greenhouse pot experiment with different combinations of compost and triple superphosphate amendments to investigate the interactions between plant growth, microbial biomass formation and compost decomposition in a strongly saline Pakistani arable soil in comparison to a non-saline German arable soil. The Pakistani soil had a 2 times lower content of ergosterol, a 4 times lower contents of microbial biomass C, biomass N and biomass P, but nearly a 20 times lower content of NaHCO3 extractable P. The addition of 1% compost always had positive effects on the microbial properties and also on the content of NaHCO3 extractable P. The addition of superphosphate induced a strong and similar absolute increase in microbial biomass P in both soils.

Immunologisches Reaktionsvermögen als Indikator für Belastungen bei der Milchkuh

Mit ansteigenden Jahresmilchleistungen werden die Kühe einer hohen metabolischen Belastung ausgesetzt, die bei einer suboptimalen Gestaltung der Lebensbedingungen mit einer Erhöhung der Inzidenzrate von Faktorenkrankheiten einhergehen kann. Im Vordergrund der Untersuchungen stand die Frage, inwieweit metabolische Belastungszustände von Milchkühen in der Phase des Puerperiums und in Abhängigkeit von der Milchleistung sowie Belastungen durch eine klinische Erkrankung zu Beginn der Laktation mit Hilfe von Parametern der immunologischen Abwehr und der Reaktion des Immunsystems auf eine Challenge dargestellt werden können. In die Untersuchung wurden insgesamt 68 klinisch gesunde sowie 20 klinisch erkrankte Milchkühe der Rasse Holstein Friesian einbezogen. Die Untersuchungen erfolgten in den Zeiträumen 10-21 Tage sowie 14-15 Wochen nach der Kalbung. Dazu wurden an jeweils drei Untersuchungstagen (Tag 0, 2, 7) Blutproben aus der Vena jugularis entnommen. Zur Stimulierung des unspezifischen Immunsystems wurde in beiden Versuchszeiträumen an den Untersuchungstagen 0 und 2 der Paramunitätsinducer Zylexis® appliziert. Ferner wurde den Kühen zu Beginn der Laktation der Tollwutimpfstoff Rabisin® verabreicht. Für die Auswertung wurden die untersuchten Milchkühe in Gruppen unterteilt. Die klinisch gesunden Kühe wurden anhand der nach Fett und Eiweiß korrigierten 305-Tage-Leistung in die Gruppe M = mittleres Leistungsniveau (Milchmengenleistung 6.500-8.990 kg) und die Gruppe H = hohes Leistungsniveau (Milchmengenleistung 9.000-12.500 kg) aufgeteilt. Die klinisch erkrankten Kühe wurden in der Gruppe K zusammengefasst. Zur Beurteilung der Immunabwehr wurden die Parameter Phagozytoseaktivität der isolierten Neutrophilen Granulozyten, die Vollblutbakterizidie, die Lymphozytenproliferation mit den Mitogenen ConA, PHA und PWM sowie die spezifische Antikörperbildung gegen Tollwut untersucht. Anhand der Parameter Phagozytoseaktivität, Vollblutbakterizidie und Lymphozytenproliferation wurde zusätzlich die Reaktion auf die Challenge mit dem Paramunitätsinducer Zylexis® überprüft. Zur Erfassung der metabolischen Belastungszustände wurden verschiedene Stoffwechselparameter und hämatologische Parameter erfasst. Zu Beginn der Laktation konnten bei den Kühen in der mittleren und hohen Leistungsgruppe signifikant höhere Konzentrationen an ß-Hydroxybuttersäure und Freien Fettsäuren im Vergleich zu der Laktationsmitte festgestellt werden. Die Kühe mit einem hohen Leistungsniveau zeigten darüber hinaus eine signifikant höhere Bilirubinkonzentration am Laktationsanfang gegenüber der Laktationsmitte. Die mittlere Konzentration der freien Fettsäuren lag bei den Kühen in beiden Leistungsgruppen oberhalb des Referenzbereiches und wies auf eine negative Energiebilanz zu Laktationsbeginn hin. Die mittleren Konzentrationen bzw. Enzymaktivitäten der Parameter Cholesterol, Harnstoff, AST, GLDH, γ-GT, Gesamtprotein, Kalzium und Phosphor wiesen in der Laktationsmitte signifikant höhere Werte als am Laktationsanfang auf. Dabei lagen die mittleren Enzymaktivitäten von AST und GLDH sowie die Konzentrationen von Harnstoff und Gesamtprotein in der Laktationsmitte oberhalb des Referenzbereiches. Die untersuchten Stoffwechselparameter wurden durch die Challenge mit einem Paramunitätsinducer nicht signifikant beeinflusst. Hinsichtlich der Immunparameter zeigten die Milchkühe mit einem mittleren Leistungsniveau in Abhängigkeit vom Laktationszeitpunkt zu Beginn der Laktation eine signifikant höhere Phagozytoseaktivität gegenüber der Laktationsmitte (p < 0,05). Die Gruppe mit einem hohen Leistungsniveau wies dagegen keine signifikanten Unterschiede in der Phagozytoseaktivität zwischen den beiden Untersuchungszeiträumen auf. Bei den Immunparametern Vollblutbakterizidie und Lymphozytenproliferation konnten bei den Kühen beider Gruppen keine signifikanten Unterschiede in Abhängigkeit vom Laktationszeitpunkt festgestellt werden. Im Hinblick auf die Milchleistung wiesen die Kühe in den beiden Leistungsgruppen am Untersuchungstag 0 weder zu Beginn noch in der Mitte der Laktation signifikante Unterschiede bezüglich der untersuchten Immunparameter auf. Nach der Challenge durch den Paramunitätsinducer reagierten einzig die Kühe mit einer mittleren Leistung zu Beginn der Laktation auf die Challenge mit einer signifikanten Reduzierung der mittleren Phagozytoseaktivität von Tag 0 zu Tag 2 (p < 0,05). Bei den weiteren untersuchten Immunparametern konnten weder bei den Kühen mit einer mittleren noch mit einer hohen Leistung eine signifikante Reaktion auf die Challenge nachgewiesen werden. Die klinisch erkrankten Kühe zeigten im Vergleich zu den klinisch gesunden Kühen keine unterschiedlichen Konzentrationen bzw. Aktivitäten der untersuchten Stoffwechselparameter. Auch konnten anhand der immunologischen Parameter und der Reaktion auf die Challenge keine Unterschiede zwischen den klinisch gesunden Kühen festgestellt werden. Die in der vorliegenden Untersuchung geprüften metabolischen Belastungen konnten weder anhand der Immunparameter noch durch die Reaktion der Immunparameter auf eine Challenge dargestellt werden. Es wird geschlussfolgert, dass das immunologische Reaktionsvermögen nicht geeignet ist, um als Indikator für Belastungszustände bei der Milchkuh herangezogen zu werden.

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.