Meridional mixing of water masses in the Kuroshio Extension: Origins of North Pacific Intermediate Water anomalies

Senior thesis written for Oceanography 445

Biochemistry of grape berries: post-genomics approaches to uncover the effects of water deficits on ripening

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry, Plant Physiology

Modelling and optimization of the ion exchange membrane bioreactor for removal of anionic pollutants from drinking water streams

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Engenharia Bioquímica

Diallelic analysis to obtain cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.) populations tolerant to water deficit.

The purpose of this study was to identify parents and obtain segregating populations of cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.) with the potential for tolerance to water deficit. A full diallel was performed with six cowpea genotypes, and two experiments were conducted in Teresina, PI, Brazil in 2011 to evaluate 30 F2 populations and their parents, one under water deficit and the other under full irrigation.

Assessing the influence of irrigation and fertigation on fruit composition, vine performance and wine quality in a cool, humid climate /

A study was devised to evaluate influences of irrigation and fertigation practices on Vitis vinifera and Vitis labruscana grapes in the Niagara Peninsula. A modified FAO Penman- Monteith evapotranspiration formula was used to calculate water budgets and schedule irrigations. Five deficit irrigation treatments (non-irrigated control; deficits imposed postbloom, lag phase, and veraison; fiiU season irrigation) were employed in a Chardonnay vineyard. Transpiration rate (4-7 /xg H20/cmVs) and soil moisture data demonstrated that the control and early deficit treatments were under water stress throughout the season. The fiiU season irrigation treatment showed an 18% (2001) and 19% (2002) increase in yield over control due to increased berry weight. Soluble solids and wine quality were not compromised, and the fiiU season treatment showed similar or higher °Brix than all other treatments. Berry titratable acidity andpH also fell within acceptable levels for all five treatments. Irrigation/fertigation timing trials were conducted on Concord and Niagara vines in 2001- 02. The six Concord treatments consisted of a non-irrigated control, irrigation fi^om Eichhom and Lorenz (EL) stage 12 to harvest, and four fertigation treatments which applied 70 kg/ha urea. The nine Niagara treatments included a non-irrigated control, two irrigated treatments (ceasing at veraison and harvest, respectively) and six fertigation treatments of various durations. Slight yield increases (ca. 10% in Concord; 29% in Niagara) were accompanied by small decreases in soluble solids (1.5°Brix), and methyl anthranilate concentrations. Transpiration rate and soil moisture (1 1.9-16.3%) data suggested that severe water stress was present in these Toledo clay based vineyards.

Mangrove plant Ceriops tagal as a potential source of anti White Spot Syndrome Virus preparations for Penaeus monodon

White spot syndrome virus (WSSV) is the deadliest virus among crustaceans ever discovered having several unique and novel features. Recent developments in genomics and proteomics could elucidate the molecular process involved in the WSSV infection and the host pathogen interaction to some extent. Until now no fool proof treatment or prophylactic measure has been made available to control WSSV out breaks in culture system. Even though there are technologies like application of immunostimulants, vaccines, RNAi and several antiviral natural products none of them has been taken to the level of clinical trials. However, there are several management options such as application of bioremediation technologies to maintain the required environmental quality, maintenance of zero water exchange systems coupled with application of probiotics and vaccines which on adoption shall pave way for successful crops amidst the rapid spread of the virus. In this context the present work was undertaken to develop a drug from mangrove plants for protecting shrimp from WSSV.Mangroves belong to those ecosystems that are presently under the threat of destruction, diversion and blatant attack in the name of so called ‘developmental activities’. Mangrove plants have unique ecological features as it serves as an ecotone between marine and terrestrial ecosystem and hence possess diversity of metabolites with diverse activities. This prompted them being used as remedial measures for several ailments for ages. Among the mangrove plants Ceriops tagal, belonging to the family Rhizophororaceae was in attention for many years for isolating new metabolites such as triterpenes, phenolic compounds, etc. Even though there were attempts to study various plant extracts to develop anti-viral preparations their activity against WSSV was not investigated as yet.

Marine Actinomycetes as Source of Antimicrobial Compounds and as Probiotics and Single Cell Protein for Application in Penaeid Prawn Culture Systems

This thesis Entitled Marine actinomycetes as source of antimicrobial compounds and as probiotics and single cell protein for application in penaeid peawn culture systems. Ocean harbours more than 80% of all life on earth and remains our greatest untapped natural resource. The study revealed the potential of marine actinomycetes as a source of antimicrobial compounds. The selected streptomycetes were found to be capable of inhibiting most of the pathogenic vibrios, whichis a major problem both in hatcheries and grow out systems. The bioactive principle can be incorporated with commercial feeds and applied as medicated diet for the control of vibrios in culture systems.The hydrolytic potential inhibitory property against pathogens and non—pathogenicity to penaeid prawns make the selected Streptomycesspp.an effective probioic in aquaculture. Since there is considerably less inhibition to the natural in pond ecosystem the microbial diversityis being maintained and thereby the water quality. Actinomycetes was found to be a good source of single cell protein as an ingredient inaquaculture feed formulations. Large amount of mycelial waste (actinomycete biomassO is produced from antibiotic industries and this nutrient rich waste can be effectively used as a protein source in aquaculture feeds.This study reveals the importance of marine actinomycetes as a source of antimicrobial compounds and as a probiotic and single cell protein for aquaculture applications.

Biochemical and Biotechnological investigations on the water-fern Salvinia molesta Mitchell

The present work is focussed mainly on the utilization of this weed-biomass on a biochemical and biotechnological basis. Before designing scientific and systematic utilization of any given biomass, the detailed analysis of its chemical componets is essential. Hence, as the preliminary part of the experimental works, samples of Salvinia were analysed for its chemical constituents.Before designing scientific and systematic utilization of any given biomass, the detailed analysis of its chemical componets is essential .The composition of the substrate contributes much to the nutritive value of mushrooms. Hence, alterations in the nutritive value of mushrooms (in terms of total carbohydrates, proteins, lipids and minerals) in response to Salvinia as substrate were analyzed.Substrate after mushroom harvest (spent substrate) can be utilized for various purposes such as cattle feed, as a source of degradative enzymes, as a substrate for other mushrooms and as garden manure. But studies are limited with regard to the utilization of Pleurotus spent substrate as garden manure. So the value of spent substrate as an organic supplement and its multidimensional impacts on soil chemical status, soil microbial population dynamics and plant growth (Amhurium andreanum) were carried out.Major findings of this work have got much relevance in designing measures to utilize different types of plant biomass, especially aquatic weeds, with the aid of a powerful biological tool, the lignocellulolytic fungus, Pleurorus

Studies on the microbial diseases of dendrobium hybrid (orchids)

There is no baseline data available at present on the nature of various diseases that occur in a orchid population, under cultivation, in any commercial orchid farm maintained by small scale entrepreneurs who invest considerable amount of money, effort and time. The available data on type of disease symptoms, causative agent, , nature of pathogens, as to bacteria or ftmgi or any other biological agents, and their source, appropriate and effective control measures could not be devised, for large scale implementation and effective management, although arbitrary methods are being practiced by very few farms. Further influence of seasonal variations and environmental factors on disease outbreak is also not scientifically documented and statistically verified as to their authenticity. In this context, the primary objective of the present study was to create a data bank on the following aspects 1. Occurrence of different disease symptoms in Dendrobium hybrid over a period of one year covering all seasons 2. Variations in the environmental parameters at the orchid farms 3. Variations in the characteristics of water used for irrigation in the selected orchid farm 4. Microbial population associated with the various disease symptoms 5. Isolation and identification of bacteria isolated from diseased plants 6. Statistical treatment of the quantitative data and evolving statistical model

A marine actinomycete nocardiopsis mccb 110 as source of novel drugs to manage vibriosis

Aquaculture is a form of agriculture that involves the propagation, cultivation and marketing of aquatic plants and animals in a controlled environment (Swann, 1992). After growing steadily, particularly in the last four decades, aquaculture is for the first time set to contribute half of the fish consumed by the human population worldwide. Given the projected population growth over the next two decades, it is estimated that at least an additional 40 million tonnes of aquatic food will be required by 2030 to maintain the current per capita consumption (FAO, 2006). Capture fisheries and aquaculture supplied the world with about 110 million tonnes of food fish in 2006. Of this total, aquaculture accounted for 47 percent (FAO, 2009). Globally, penaeid shrimp culture ranks sixth in terms of quantity and second in terms of value amongst all taxonomic groups of aquatic animals cultivated (FAO, 2006). In places where warm-water aquaculture was possible black tiger shrimp, Penaeus monodon became the preferred variety of shrimp cultivar owing to its fast growth, seed availability and importantly due to high prices it fetches (Pechmanee, 1997). World shrimp production is dominated by P.monodon, which accounted for more than 50 % of the production in 1999 (FAO, 2000). In the last few years the whiteleg shrimp, Litopenaeus vannamei, has replaced P.monodon in many countries. Indian shrimp culture is dominated by P.monodon with the East Coast accounting for 70% of the production (Hein, 2002). Intensive culture, apart from other problems, results in enhanced susceptibility of the cultured species to diseases (Jory, 1997), which in fact have become the biggest constraint in shrimp aquaculture (FAO, 2003).

Characterisation and bioprospecting of cold adapted yeast from water samples of kongsfjord ,Norwegian Artic

A total of 34 yeast isolates were characterized from 4 water samples collected from Kongsfjord at Ny Alseund region of Norwegion Artic during the Indian Artic summer expedition of 2009.They were studied for the effect of tempereture and salt concentration on growth as well as for their ability to produce various hydrolytic enzymes at two different temperatures. Result showed that 5 out of 8 genera were common to all the stations. Cryptococcus was the predominant genera folowed by Trichosporan and Rhodotorula 82% of the yeast isolates were oxidative in nature and except filobasidium all the isolates used nitrate as a nitrogen source for growth. Yeast isolates from all the ststions showed growth at 4 and 20 degree centigarade. These temperatures were chosen as most of the bacterial and yeast isolates showed psychrotrop[hic nature. 94% of the yeast isolates showed growth at 2.0M and lipolytic activity were marginally less than 4.None of the isolates produced amylase enzymes when incubated at 4 and 20. The present study highlights the wide tolerence of the psychrotrophic yeast isolates to temperature and salinity as well as their potential in biotechnology

Vegetation changes in a river oasis on the southern rim of the Taklamakan Desert in China between 1956 and 2000

The indigenous vegetation surrounding the river oases on the southern rim of the Taklamakan Desert has drastically diminished due to overexploitation as a source of fodder, timber and fuel for the human population. The change in the spatial extent of landscape forms and vegetation types around the Qira oasis was analyzed by comparing SPOT satellite images from 1998 with aerial photographs from 1956. The analysis was supplemented by field surveys in 1999 and 2000. The study is part of a joint Chinese-European project with the aim of assessing the current state of the foreland vegetation, of gathering information on the regeneration potential and of suggesting procedures for a sustainable management. With 33 mm of annual precipitation, plants can only grow if they have access to groundwater, lakes or rivers. Most of the available water comes into the desert via rivers in the form of seasonal flooding events resulting from snow melt in the Kun Lun Mountains. This water is captured in canal systems and used for irrigation of arable fields. Among the eight herbaceous and woody vegetation types and the type of open sand without any plant life that were mapped in 2000 in the oasis foreland, only the latter, the oasis border between cultivated land and open Populus euphratica forests and Tamarix ramosissima-Phragmites australis riverbed vegetation could be clearly identified on the photographs from 1956. The comparison of the images revealed that the oasis increased in area between 1956 and 2000. Shifting sand was successfully combated near to the oasis borders but increased in extent at the outward border of the foreland vegetation. In contrast to expectations, the area covered with Populus trees was smaller in 1956 than today due to some new forests in the north of the oasis that have grown up since 1977. Subfossil wood and leaf remnants of Populus euphratica that were found in many places in the foreland must have originated from forests destroyed before 1956. In the last 50 years, the main Qira River has shifted its bed significantly northward and developed a new furcation with a large new bed in 1986. The natural river dynamics are not only an important factor in forming the oasis’ landscape but also in providing the only possible regeneration sites for all occurring plant species. The conclusion of the study is that the oasis landscape has changed considerably in the last 50 years due to natural floodings and to vegetation degradation by human overexploitation. The trend towards decreasing width of the indigenous vegetation belt resulting from the advancing desert and the expansion of arable land is particularly alarming because a decrease in its protective function against shifting sand can be expected in the future.

Field measurements of the CO2 evolution rate under different crops during an irrigation cycle in a mountain oasis of Oman

For millennia oasis agriculture has been the backbone of rural livelihood in the desertic Sultanate of Oman. However, little is known about the functioning of these oasis systems, in particular with respect to the C turnover. The objective was to determine the effects of crop, i.e. alfalfa, wheat and bare fallow on the CO2 evolution rate during an irrigation cycle in relation to changes in soil water content and soil temperature. The gravimetric soil water content decreased from initially 24% to approximately 16% within 7 days after irrigation. The mean CO2 evolution rates increased significantly in the order fallow (27.4 mg C m^−2 h^−1) < wheat (45.5 mg C m^−2 h^−1) < alfalfa (97.5 mg C m^−2 h^−1). It can be calculated from these data that the CO2 evolution rate of the alfalfa root system was nearly four times higher than the corresponding rate in the wheat root system. The decline in CO2 evolution rate, especially during the first 4 days after irrigation, was significantly related to the decline in the gravimetric water content, with r = 0.70. CO2 evolution rate and soil temperature at 5 cm depth were negatively correlated (r = -0.56,n = 261) due to increasing soil temperature with decreasing gravimetric water content.

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.

Effects of Different Feeding Regimes on the Digestibility and Faecal Excretion of Nitrogen, Soluble Carbohydrates and Fibre Fractions in Water Buffaloes kept under Subtropical Conditions

In the course of the ‘Livestock Revolution’, extension and intensification of, among others, ruminant livestock production systems are current phenomena, with all their positive and negative side effects. Manure, one of the inevitable secondary products of livestock rearing, is a valuable source of plant nutrients and its skillful recycling to the soil-plant interface is essential for soil fertility, nutrient - and especially phosphorus - uses efficiency and the preservation or re-establishment of environmentally sustainable farming systems, for which organic farming systems are exemplarily. Against this background, the PhD research project presented here, which was embedded in the DFG-funded Research Training Group 1397 ‘Regulation of soil organic matter and nutrient turnover in organic agriculture ’ investigated possibilities to manipulate the diets of water buffalo (Bubalus bubalis L.) so as to produce manure of desired quality for organic vegetable production, without affecting the productivity of the animals used. Consisting of two major parts, the first study (chapter 2) tested the effects of diets differing in their ratios of carbon (C) to nitrogen (N) and of structural to non-structural carbohydrates on the quality of buffalo manure under subtropical conditions in Sohar, Sultanate of Oman. To this end, two trials were conducted with twelve water buffalo heifers each, using a full Latin Square design. One control and four tests diets were examined during three subsequent 7 day experimental periods preceded each by 21 days adaptation. Diets consisted of varying proportions of Rhodes grass hay, soybean meal, wheat bran, maize, dates, and a commercial concentrate to achieve a (1) high C/N and high NDF (neutral detergent fibre)/SC (soluble carbohydrate) ratio (HH), (2) low C/N and low NDF/SC ratio (LL); (3) high C/N and low NDF/SC ratio (HL) and (4) low C/N and high NDF/SC (LH) ratio. Effects of these diets, which were offered at 1.45 times maintenance requirements of metabolizable energy, and of individual diet characteristics, respectively, on the amount and quality of faeces excreted were determined and statistically analysed. The faeces produced from diets HH and LL were further tested in a companion PhD study (Mr. K. Siegfried) concerning their nutrient release in field experiments with radish and cabbage. The second study (chapter 3) focused on the effects of the above-described experimental diets on the rate of passage of feed particles through the gastrointestinal tract of four randomly chosen animals per treatment. To this end, an oral pulse dose of 683 mg fibre particles per kg live weight marked with Ytterbium (Yb; 14.5 mg Yb g-1 organic matter) was dosed at the start of the 7 day experimental period which followed 21 days of adaptation. During the first two days a sample for Yb determination was kept from each faecal excretion, during days 3 – 7 faecal samples were kept from the first morning and the first evening defecation only. Particle passage was modelled using a one-compartment age-dependent Gamma-2 model. In both studies individual feed intake and faecal excretion were quantified throughout the experimental periods and representative samples of feeds and faeces were subjected to proximate analysis following standard protocols. In the first study the organic matter (OM) intake and excretion of LL and LH buffaloes were significantly lower than of HH and HL animals, respectively. Digestibility of N was highest in LH (88%) and lowest in HH (74%). While NDF digestibility was also highest in LH (85%) it was lowest in LL (78%). Faecal N concentration was positively correlated (P≤0.001) with N intake, and was significantly higher in faeces excreted by LL than by HH animals. Concentrations of fibre and starch in faecal OM were positively affected by the respective dietary concentrations, with NDF being highest in HH (77%) and lowest in LL (63%). The faecal C/N ratio was positively related (P≤0.001) to NDF intake; C/N ratios were 12 and 7 for HH and LL (P≤0.001), while values for HL and LH were 11.5 and 10.6 (P>0.05). The results from the second study showed that dietary N concentration was positively affecting faecal N concentration (P≤0.001), while there was a negative correlation with the faecal concentration of NDF (P≤0.05) and the faecal ratios of NDF/N and C/N (P≤0.001). Particle passage through the mixing compartment was lower (P≤0.05) for HL (0.033 h-1) than for LL (0.043 h-1) animals, while values of 0.034 h-1 and 0.038 h-1 were obtained for groups LH and HH. At 55.4 h, total tract mean retention time was significantly (P≤0.05) lower in group LL that in all other groups where these values varied between 71 h (HH) and 79 h (HL); this was probably due to the high dietary N concentration of diet LL which was negatively correlated with time of first marker appearance in faeces (r= 0.84, P≤0.001), while the dietary C concentration was negatively correlated with particle passage through the mixing compartment (r= 0.57, P≤0.05). The results suggest that manure quality of river buffalo heifers can be considerably influenced by diet composition. Despite the reportedly high fibre digestion capacity of buffalo, digestive processes did not suppress the expression of diet characteristics in the faeces. This is important when aiming at producing a specific manure quality for fertilization purposes in (organic) crop cultivation. Although there was a strong correlation between the ingestion and the faecal excretion of nitrogen, the correlation between diet and faecal C/N ratio was weak. To impact on manure mineralization, the dietary NDF and N concentrations seem to be the key control points, but modulating effects are achieved by the inclusion of starch into the diet. Within the boundaries defined by the animals’ metabolic and (re)productive requirements for energy and nutrients, diet formulation may thus take into account the abiotically and biotically determined manure turnover processes in the soil and the nutrient requirements of the crops to which the manure is applied, so as to increase nutrient use efficiency along the continuum of the feed, the animal, the soil and the crop in (organic) farming systems.