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.

Microbial response to restoration of tantalite mine soils in western Rwanda

Artisanal columbite-tantalite (coltan) mining has had negative effects on the rural economy in the great Lakes region of Africa through labor deficits, degradation and loss of farmland, food insecurity, high cost of living, and reduced traditional export crop production alongside secondary impacts that remotely affect the quality of air, water, soil, plants, animals, and human wellbeing. The situation is multifaceted and calls for a holistic approach for short and long-term mitigation of such negative effects. This study focuses on the effects of mine land restoration on soil microbiological quality in the Gatumba Mining District of western Rwanda. Some coltan mine wastelands were afforested with pine and eucalyptus trees while farmers directly cultivated others due to land scarcity. Farmyard manure (FYM) is the sole fertilizer applied on the wastelands although it is insufficient to achieve the desired crop yields. Despite this, several multi-purpose plants such as Tithonia diversifolia, Markhamia lutea, and Canavalia brasiliensis thrive in the area and could supplement FYM. The potential for these “new” amendments to improve soil microbial properties, particularly in the tantalite mine soils was investigated. The specific objectives of the study were to: (a) evaluate the effects of land use on soil microbial indices of the tantalite mine soils; (b) investigate the restorative effects of organic amendments on a Technosol; and (c) estimate the short-term N and P supply potential of the soil amendments in the soils. Fresh soils (0-20 cm) from an unmined native forest, two mine sites afforested with pine and eucalyptus forests (pine and eucalyptus Technosols), an arable land, and two cultivated Technosols (Kavumu and Kirengo Technosols) were analyzed for the physicochemical properties. Afterwards, a 28-day incubation (22oC) experiment was conducted followed by measurements of mineral N, soil microbial biomass C, N, P, and fungal ergosterol contents using standard methods. This was followed by a 12-week incubation study of the arable soil and the Kavumu Technosol amended with FYM, Canavalia and Tithonia biomass, and Markhamia leaf litter after which soil microbial properties were measured at 2, 8, and 12 weeks of incubation. Finally, two 4-week incubation experiments each were conducted in soils of the six sites to estimate (i) potential mineralizable N using a soil-sand mixture (1:1) amended with Canavalia and goat manure and (ii) P mineralization mixtures (1:1) of soil and anion exchange resins in bicarbonate form amended with Tithonia biomass and goat manure. In study one, afforestation increased soil organic carbon and total N contents in the pine and eucalyptus Technosols by 34-40% and 28-30%, respectively of that in the native forest soil. Consequently, the microbial biomass and activity followed a similar trend where the cultivated Technosols were inferior to the afforested ones. The microbial indices of the mine soils were constrained by soil acidity, dithionite-extractable Al, and low P availability. In study two, the amendments substantially increased C and N mineralization, microbial properties compared with non-amended soils. Canavalia biomass increased CO2 efflux by 340%, net N mineralization by 30-140%, and microbial biomass C and N by 240-600% and 240-380% (P < 0.01), respectively after four weeks of incubation compared with the non-amended soils. Tithonia biomass increased ergosterol content by roughly 240%. The Kavumu Technosol showed a high potential for quick restoration of its soil quality due to its major responses to the measured biological parameters. In study three, Canavalia biomass gave the highest mineralizable N (130 µg g-1 soil, P < 0.01) in the Kavumu Technosol and the lowest in the native forest soil (-20 µg g-1 soil). Conversely, the mineralizable N of goat manure was negative in all soils ranging from -2.5 µg N g-1 to -7.7 µg N g-1 soil except the native forest soil. However, the immobilization of goat manure N in the “cultivated soils” was 30-70% lower than in the “forest soils” signifying an imminent recovery of the amended soils from N immobilization. The mineralization of goat manure P was three-fold that of Tithonia, constituting 61-71% of total P applied. Phosphorus mineralization slightly decreased after four weeks of incubation due to sulfate competition as reflected in a negative correlation, which was steeper in the Tithonia treatment. In conclusion, each amendment used in this research played a unique role in C, N, and P mineralization and contributed substantially to microbial properties in the tantalite mine soils. Interestingly, the “N immobilizers” exhibited potentials for P release and soil organic carbon storage. Consequently, the combined use of the amendments in specific ratios, or co-composting prior to application is recommended to optimize nutrient release, microbial biomass dynamics and soil organic matter accrual. Transport of organic inputs seems more feasible for smallholder farmers who typically manage small field sizes. To reduce acidity in the soils, liming with wood ash was recommended to also improve P availability and enhance soil biological quality, even if it may only be possible on small areas. Further, afforestation with mixed-species of fast-growing eucalyptus and legume or indigenous tree species are suggested to restore tantalite mine wastelands. It is emphasized most of this research was conducted under controlled laboratory conditions, which exclude interaction with environmental variables. Also fine fractions of the amendments were used compared with the usual practice of applying a mixture of predominantly coarser fractions. Therefore, the biological dynamics reported in the studies here may not entirely reflect those of farmers’ field conditions.

Identification of plasmodium vivax proteins with potential role in invasion using sequence redundancy reduction and profile hidden markov models

Background: This study describes a bioinformatics approach designed to identify Plasmodium vivax proteins potentially involved in reticulocyte invasion. Specifically, different protein training sets were built and tuned based on different biological parameters, such as experimental evidence of secretion and/or involvement in invasion-related processes. A profile-based sequence method supported by hidden Markov models (HMMs) was then used to build classifiers to search for biologically-related proteins. The transcriptional profile of the P. vivax intra-erythrocyte developmental cycle was then screened using these classifiers. Results: A bioinformatics methodology for identifying potentially secreted P. vivax proteins was designed using sequence redundancy reduction and probabilistic profiles. This methodology led to identifying a set of 45 proteins that are potentially secreted during the P. vivax intra-erythrocyte development cycle and could be involved in cell invasion. Thirteen of the 45 proteins have already been described as vaccine candidates; there is experimental evidence of protein expression for 7 of the 32 remaining ones, while no previous studies of expression, function or immunology have been carried out for the additional 25. Conclusions: The results support the idea that probabilistic techniques like profile HMMs improve similarity searches. Also, different adjustments such as sequence redundancy reduction using Pisces or Cd-Hit allowed data clustering based on rational reproducible measurements. This kind of approach for selecting proteins with specific functions is highly important for supporting large-scale analyses that could aid in the identification of genes encoding potential new target antigens for vaccine development and drug design. The present study has led to targeting 32 proteins for further testing regarding their ability to induce protective immune responses against P. vivax malaria.

Microbial and biochemical soil quality indicators and their potential for differentiating areas under contrasting agricultural management regimes

The aim of this study was to examine interrelationships between functional biochemical and microbial indicators of soil quality, and their suitability to differentiate areas under contrasting agricultural management regimes. The study included five 0.8 ha areas on a sandy-loam soil which had received contrasting fertility and cropping regimes over a 5 year period. These were organically managed vegetable, vegetable -cereal and arable rotations, an organically managed grass clover ley, and a conventional cereal rotation. The organic areas had been converted from conventional cereal production 5 years prior to the start of the study. All of the biochemical analyses, including light fraction organic matter (LFOM) C and N, labile organic N (LON), dissolved organic N and water-soluble carbohydrates showed significant differences between the areas, although the nature of the relationships between the areas varied between the different parameters, and were not related to differences in total soil organic matter content. The clearest differences were seen in LFOM C and N and LON, which were higher in the organic arable area relative to the other areas. In the case of the biological parameters, there were differences between the areas for biomass-N, ATP, chitin content, and the ratios of ATP: biomass and basal respiration: biomass. For these parameters, the precise relationships between the areas varied. However, relative to the conventionally managed area, areas under organic management generally had lower biomass-N and higher ATP contents. Arbuscular mycorrhizal fungus colonization potential was extremely low in the conventional area relative to the organic areas. Further, metabolic diversity and microbial community level physiological profiles, determined by analysis of microbial community metabolism using Biolog GN plates and the activities of eight key nutrient cycling enzymes, grouped the organic areas together, but separated them from the conventional area. We conclude that microbial parameters are more effective and consistent indicators of management induced changes to soil quality than biochemical parameters, and that a variety of biochemical and microbial analyses should be used when considering the impact of management on soil quality. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Population performance of collembolans feeding on soil fungi from different ecological niches

The potential reproductive value of arbuscular mycorrhizal fungi (Gloinus intraradices and Glomus invermaium), root pathogenic fungi (Rhizoctonia solani and Fusarium culmorum) and saprotrophic fungi (Penicillium hordei and Trichoderma harzianum) were examined for the collembolans Folsomia candida Willem and Folsomia fimetaria L. Dried baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae) was used as a reference standard food in laboratory cultures. Collembolan performance was determined as final size, fecundity and population growth rate after when fed the fungal food sources for 31 days. The mycorrhizal fungi gave the least growth and fecundity compared with the other fungi, but G. intraradices gave good fecundity for F. candida. In terms of growth, Baker's yeast was a high-quality food for both adults and juveniles of both species, but it was a poorer food in terms of fecundity of F. candida. Preference of the fungi in all possible pairwise combinations showed that although F. fimetaria did not perform well on Glomus spp. and F. candida did not grow well on Glomus spp. their preference for these fungi did not reflect this. The highest fecundity was seen with the root pathogen F. culmorum. Different quality indicators such as the C:N ratio of the fungal food sources as well as other biological parameters are discussed in relation to their reproductive value and Collembola preferential feeding. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

ONeSAMP: a program to estimate effective population size using approximate Bayesian computation

The estimation of effective population size from one sample of genotypes has been problematic because most estimators have been proven imprecise or biased. We developed a web-based program, ONeSAMP that uses approximate Bayesian computation to estimate effective population size from a sample of microsatellite genotypes. ONeSAMP requires an input file of sampled individuals' microsatellite genotypes along with information about several sampling and biological parameters. ONeSAMP provides an estimate of effective population size, along with 95% credible limits. We illustrate the use of ONeSAMP with an example data set from a re-introduced population of ibex Capra ibex.

Fecal water as a non-invasive biomarker in nutritional intervention: comparison of preparation methods and refinement of different endpoints

The assessment of cellular effects by the aqueous phase of human feces (fecal water, FW) is a useful biomarker approach to study cancer risks and protective activities of food. In order to refine and develop the biomarker, different protocols of preparing FW were compared. Fecal waters were prepared by 3 methods: (A) direct centrifugation; (B) extraction of feces in PBS before centrifugation; and (C) centrifugation of lyophilized and reconstituted feces. Genotoxicity was determined in colon cells using the Comet assay. Selected samples were investigated for additional parameters related to carcinogenesis. Two of 7 FWs obtained by methods A and B were similarly genotoxic. Method B, however, yielded higher volumes of FW, allowing sterile filtration for long-term culture experiments. Four of 7 samples were non-genotoxic when prepared according to all 3 methods. FW from lyophilized feces and from fresh samples were equally genotoxic. FWs modulated cytotoxicity, paracellular permeability, and invasion, independent of their genotoxicity. All 3 methods of FW preparation can be used to assess genotoxicity. The higher volumes of FWobtained by preparation method B greatly enhance the perspectives of measuring different types of biological parameters and using these to disclose activities related to cancer development.

A nutrient increment method for reducing bias in global biogeochemical models

Assimilation of physical variables into coupled physical/biogeochemical models poses considerable difficulties. One problem is that data assimilation can break relationships between physical and biological variables. As a consequence, biological tracers, especially nutrients, are incorrectly displaced in the vertical, resulting in unrealistic biogeochemical fields. To prevent this, we present the idea of applying an increment to the nutrient field within a data assimilating model to ensure that nutrient-potential density relationships are maintained within a water column during assimilation. After correcting the nutrients, it is assumed that other biological variables rapidly adjust to the corrected nutrient fields. We applied this method to a 17 year run of the 2° NEMO ocean-ice model coupled to the PlankTOM5 ecosystem model. Results were compared with a control with no assimilation, and with a model with physical assimilation but no nutrient increment. In the nutrient incrementing experiment, phosphate distributions were improved both at high latitudes and at the equator. At midlatitudes, assimilation generated unrealistic advective upwelling of nutrients within the boundary currents, which spread into the subtropical gyres resulting in more biased nutrient fields. This result was largely unaffected by the nutrient increment and is probably due to boundary currents being poorly resolved in a 2° model. Changes to nutrient distributions fed through into other biological parameters altering primary production, air-sea CO2 flux, and chlorophyll distributions. These secondary changes were most pronounced in the subtropical gyres and at the equator, which are more nutrient limited than high latitudes.

Increased levels of microparticles originating from endothelial cells, platelets and erythrocytes in subjects with metabolic syndrome: relationship with oxidative stress

Background and aims The Metabolic Syndrome (MetS) is associated with increased cardiovascular risk. Circulating microparticles (MP) are involved in the pathogenesis of atherothrombotic disorders and are raised in individual with CVD. We measured their level and cellular origin in subjects with MetS and analyzed their associations with 1/anthropometric and biological parameters of MetS, 2/inflammation and oxidative stress markers. Methods and results Eighty-eight subjects with the MetS according to the NCEP-ATPIII definition were enrolled in a bicentric study and compared to 27 healthy controls. AnnexinV-positive MP (TMP), MP derived from platelets (PMP), erythrocytes (ErMP), endothelial cells (EMP), leukocytes (LMP) and granulocytes (PNMP) were determined by flow cytometry. MetS subjects had significantly higher counts/μl of TMP (730.6 ± 49.7 vs 352.8 ± 35.6), PMP (416.0 ± 43.8 vs 250.5 ± 23.5), ErMP (243.8 ± 22.1 vs 73.6 ± 19.6) and EMP (7.8 ± 0.8 vs 4.0 ± 1.0) compared with controls. LMP and PNMP were not statistically different between groups. Multivariate analysis demonstrated that each criterion for the MetS influenced the number of TMP. Waist girth was a significant determinant of PMP and EMP level and blood pressure was correlated with EMP level. Glycemia positively correlated with PMP level whereas dyslipidemia influenced EMP and ErMP levels. Interestingly, the oxidative stress markers, plasma glutathione peroxydase and urinary 8-iso-prostaglandin F2 α, independently influenced TMP and PMP levels whereas inflammatory markers did not, irrespective of MP type. Conclusion Increased levels of TMP, PMP, ErMP and EMP are associated with individual metabolic abnormalities of MetS and oxidative stress. Whether MP assessment may represent a marker for risk stratification or a target for pharmacological intervention deserves further investigation.

Sequential variations of phytoplankton growth and mortality in an NPZ model: a remote-sensing-based assessment

Radiometric data in the visible domain acquired by satellite remote sensing have proven to be powerful for monitoring the states of the ocean, both physical and biological. With the help of these data it is possible to understand certain variations in biological responses of marine phytoplankton on ecological time scales. Here, we implement a sequential data-assimilation technique to estimate from a conventional nutrient–phytoplankton–zooplankton (NPZ) model the time variations of observed and unobserved variables. In addition, we estimate the time evolution of two biological parameters, namely, the specific growth rate and specific mortality of phytoplankton. Our study demonstrates that: (i) the series of time-varying estimates of specific growth rate obtained by sequential data assimilation improves the fitting of the NPZ model to the satellite-derived time series: the model trajectories are closer to the observations than those obtained by implementing static values of the parameter; (ii) the estimates of unobserved variables, i.e., nutrient and zooplankton, obtained from an NPZ model by implementation of a pre-defined parameter evolution can be different from those obtained on applying the sequences of parameters estimated by assimilation; and (iii) the maximum estimated specific growth rate of phytoplankton in the study area is more sensitive to the sea-surface temperature than would be predicted by temperature-dependent functions reported previously. The overall results of the study are potentially useful for enhancing our understanding of the biological response of phytoplankton in a changing environment.

Use of geographical information systems as a tool for predicting fish yield in tropical reservoirs : case study on Sri Lankan reservoirs

Use of geographical information systems (GIS) in inland fisheries has hitherto been essentially restricted to site evaluation for aquaculture development and assessment of limnological changes in time and space in individual water bodies. The present GIS study was conducted on the land-use pattern of the catchments of nine reservoirs in Sri Lanka, for which detailed fishery data, viz. yield, fishing intensity, landing size of major constituent species, together with selected limnological data such as conductivity and chlorophyll-a, were available. Potential statistical relationships (linear, curvilinear, exponential and second-order polynomial) of fish yield (FY, in kg ha−1 yr−1) to different land-use patterns, such as forest cover (FC, in km2) and shrub-land (SL, in km2), either singly, or in combination, and/or the ratio of each land type to reservoir area (RA in km2) and reservoir capacity (RC in km3), were explored. Highly significant relationships were evident between FY to the ratio of SL and/or FC+SL to RA and/or RC. Similarly, the above land-use types to RA and RC ratios were significantly related to limnological features of the reservoirs. The relationships of FY to various parameters obtained in this study were much better correlated than those relationships of FY to limnological and biological parameters used in yield prediction in tropical and temperate lacustrine waters previously.

Growth of highly versus moderately trained competitive female artistic gymnasts

Purpose: To investigate whether growth was adversely affected in 137 young competitive female artistic gymnasts involved in different training volumes.

Methods: This was a 2-yr prospective cohort study in which height, sitting height, leg length, weight, skinfolds, and pubertal status were measured in competitive advanced (20–27 h·wk-1) and intermediate (7.5–22 h·wk-1) training level female gymnasts every 6–12 months. Biological parameters of the adolescent growth curve were estimated using the Preece–Baines growth model. Growth rates were estimated for both groups from the mixed-longitudinal data.

Results: Estimated ages at peak height velocity (PHV) (13–13.5 yr) and mean PHV (6.2–6.4 cm·yr-1) for the advanced- and intermediate-level gymnasts suggest that these gymnasts were later maturing and experienced a blunting of the growth spurt relative to reference values for U.S. youth. Comparison of growth velocities by pubertal status revealed that height velocity was lower in the advanced- versus the intermediate-level peripubertal gymnasts, which was due to a significant reduction in sitting height velocity (2.3 vs 3.1 cm·yr-1, P. < 0.05). No marked acceleration in height or sitting height velocity was detected in the advanced-level gymnasts from pre- to peripuberty. Inspection of individual growth rates revealed that over 35% of the pre- and peripubertal gymnasts experienced growth faltering (height velocity less than 4.5 cm·yr-1) during follow-up.

Conclusion: Advanced–and intermediate–training level competitive female gymnasts tend to exhibit an adolescent growth spurt that is similar in timing and tempo to short, normal, slowly maturing girls, but the high frequency of growth faltering suggests that training may alter the tempo of growth and maturation in some, but not all, female gymnasts.

Optical micro analysis in lab-on-a-chips

Lab-on-a-chips are microfluidic devices which include biological laboratory functions on a single chip. They offer great advantages in terms of speed of analysis, precision, low sample and reagent consumption and automation of analysis. An efficient detection method in lab-on-a-chips is essential for the detection and quantification of chemical and biological parameters under examination. This review paper focuses on the recent research on optical detection techniques for LOC applications. Furthermore, several emerging detection paradigms which are still being matured are covered in this paper. Also, an analysis of the performance of different optical detection methods is given.

Modelos dinâmicos não lineares e aplicações de quadratura gaussiana

We propose mo deIs to analyze animal growlh data wilh lhe aim of eslimating and predicting quanlities of Liological and economical interest such as the maturing rate and asymptotic weight. lt is also studied lhe effect of environmenlal facLors of relevant influence in the growlh processo The models considered in this paper are based on an extension and specialization of the dynamic hierarchical model (Gamerman " Migon, 1993) lo a non-Iinear growlh curve sdLillg, where some of the growth curve parameters are considered cxchangeable among lhe unils. The inferencc for thcse models are appruximale conjugale analysis Lascd on Taylor series cxpallsiulIs aliei linear Bayes procedures.

Retrievals of a size parameter for phytoplankton and spectral light absorption by colored detrital matter from water-leaving radiances at SeaWiFS channels in a continental shelf region off Brazil

Many efforts are currently oriented toward extracting more information from ocean color than the chlorophyll a concentration. Among biological parameters potentially accessible from space, estimates of phytoplankton cell size and light absorption by colored detrital matter (CDM) would lead to an indirect assessment of major components of the organic carbon pool in the ocean, which would benefit oceanic carbon budget models. We present here 2 procedures to retrieve simultaneously from ocean color measurements in a limited number of bands, magnitudes, and spectral shapes for both light absorption by CDM and phytoplankton, along with a size parameter for phytoplankton. The performance of the 2 procedures was evaluated using different data sets that correspond to increasing uncertainties: ( 1) measured absorption coefficients of phytoplankton, particulate detritus, and colored dissolved organic matter ( CDOM) and measured chlorophyll a concentrations and ( 2) SeaWiFS upwelling radiance measurements and chlorophyll a concentrations estimated from global algorithms. In situ data were acquired during 3 cruises, differing by their relative proportions in CDM and phytoplankton, over a continental shelf off Brazil. No local information was introduced in either procedure, to make them more generally applicable. Over the study area, the absorption coefficient of CDM at 443 nm was retrieved from SeaWiFS radiances with a relative root mean square error (RMSE) of 33%, and phytoplankton light absorption coefficients in SeaWiFS bands ( from 412 to 510 nm) were retrieved with RMSEs between 28% and 33%. These results are comparable to or better than those obtained by 3 published models. In addition, a size parameter of phytoplankton and the spectral slope of CDM absorption were retrieved with RMSEs of 17% and 22%, respectively. If these methods are applied at a regional scale, the performances could be substantially improved by locally tuning some empirical relationships.