Chicken Caecal Microbiome Modifications Induced by Campylobacter jejuni Colonization and by a Non-Antibiotic Feed Additive

Campylobacter jejuni is an important zoonotic foodborne pathogen causing acute gastroenteritis in humans. Chickens are often colonized at very high numbers by C. jejuni, up to 109 CFU per gram of caecal content, with no detrimental effects on their health. Farm control strategies are being developed to lower the C. jejuni contamination of chicken food products in an effort to reduce human campylobacteriosis incidence. It is believed that intestinal microbiome composition may affect gut colonization by such undesirable bacteria but, although the chicken microbiome is being increasingly characterized, information is lacking on the factors affecting its modulation, especially by foodborne pathogens. This study monitored the effects of C. jejuni chicken caecal colonization on the chicken microbiome in healthy chickens. It also evaluated the capacity of a feed additive to affect caecal bacterial populations and to lower C. jejuni colonization. From day-0, chickens received or not a microencapsulated feed additive and were inoculated or not with C. jejuni at 14 days of age. Fresh caecal content was harvested at 35 days of age. The caecal microbiome was characterized by real time quantitative PCR and Ion Torrent sequencing. We observed that the feed additive lowered C. jejuni caecal count by 0.7 log (p<0.05). Alpha-diversity of the caecal microbiome was not affected by C. jejuni colonization or by the feed additive. C. jejuni colonization modified the caecal beta-diversity while the feed additive did not. We observed that C. jejuni colonization was associated with an increase of Bifidobacterium and affected Clostridia and Mollicutes relative abundances. The feed additive was associated with a lower Streptococcus relative abundance. The caecal microbiome remained relatively unchanged despite high C. jejuni colonization. The feed additive was efficient in lowering C. jejuni colonization while not disturbing the caecal microbiome.

Bioactivity Profile of Polyunsaturated Fattyacid extracts from Sardinella longiceps and Sardinella fimbriata – A comparative study

The oceans have proved to be an interminable source of new and effective drugs. Innumerable studies have proved that specific compounds isolated from marine organisms have great nutritional and pharmaceutical value. Polyunsaturated fattyacids (PUFA) in general are known for their dietary benefits in preventing and curing several critical ailments including Coronary heart disease (CHD) and cancers of various kinds. Eicosapentaenoic Acid (EPA) and Docosahexaenoic Acid (DHA) are two PUFA which are entirely marine in origin – and small Clupeoid fishes like sardines are known to be excellent sources of these two compounds. In this study, we selected two widely available Sardine species in the west coast, Sardinella longiceps and Sardinella fimbriata, for a comparative analysis of their bioactive properties. Both these sardines are known to be rich in EPA and DHA, however considerable seasonal variation in its PUFA content was expected and these variations studied. An extraction procedure to isolate PUFA at high purity levels was identified and the extracts obtained thus were studied for anti-bacterial, anti-diabetic and anti-cancerous properties.Samples of both the sardines were collected from landing centre, measured and their gut content analysed in four different months of the year – viz. June, September, December and March. The fish samples were analyzed for fattyacid using FAME method using gas chromatography to identify the full range of fattyacids and their respective concentration in each of the samples. The fattyacids were expressed in mg/g meat and later converted to percentage values against total fatty acids and total PUFA content. Fattyacids during winter season (Dec-Mar) were found to be generally higher than spawning season (June-Sept). PUFA dominated the profiles of both species and average PUFA content was also higher during winter. However, it was found that S. longiceps had proportionately higher EPA as compared to S. fimbriata which was DHA rich. Percentage of EPA and DHA also varied across months for both species – the spawning season seemed to show higher EPA content in S. longiceps and higher DHA content in S. fimbriata. Gut content analysis indicate that adult S. fimbriata is partial to zooplanktons which are DHA rich while adult S. longiceps feed mainly on EPA rich phytoplankton. Juveniles of both species, found mainly in winter, had a gut content showing more mixed diet. This difference in the feeding pattern reflect clearly in their PUFA profile – adult S. longiceps, which dominate the catch during the spawn season, feeding mostly on phytoplankton is concentrated with EPA while the juveniles which are found mostly in the winter season has slightly less EPA proportion as compared to adults. The same is true for S. fimbriata adults that are caught mostly in the spawning season; being rich in DHA as they feed mainly on zooplankton while the juveniles caught during winter season has a relatively lower concentration of DHA in their total PUFA.Various extraction procedures are known to obtain PUFA from fish oil. However, most of them do not give high purity and do not use materials indicated as safe. PUFA extracts have to be edible and should not have harmful substances for applying on mice and human subjects. Some PUFA extraction procedures, though pure and non-toxic, might induce cis-trans conversions during the extraction process. This conversion destroys the benefits of PUFA and at times is harmful to human body. A method free from these limitations has been standardized for this study. Gas Chromatography was performed on the extracts thus made to ensure that it is substantially pure. EPA: DHA ratios for both samples were derived - for S. longiceps this ratio was 3:2, while it was 3:8 for S. fimbriata.Eight common strains of gram positive and gram negative bacterial strains were subjected to the PUFA extracts from both species dissolved in acetone solution using Agar Well Diffusion method. The activity was studied against an acetone control. At the end of incubation period, zones of inhibition were measured to estimate the activity. Minimum inhibitory concentration for each of the active combinations was calculated by keeping p < 0.01 as significant. Four of the bacteria including multi-resistant Staphylococcus aureus were shown to be inhibited by the fish extracts. It was also found that the extracts from S. fimbriata were better than the one from S. longiceps in annihilating harmful bacteria.Four groups of mice subjects were studied to evaluate the antidiabetic properties of the PUFA extracts. Three groups were induced diabetes by administration of alloxan tetra hydrate. One group without diabetes was kept as control and another with diabetes was kept as diabetic control. For two diabetic groups, a prescribed amount of fish extracts were fed from each of the extracts. The biochemical parameters like serum glucose, total cholesterol, LDL & HDL cholesterol, triglycerides, urea and creatinine were sampled from all four groups at regular intervals of 7 days for a period of 28 days. It was found that groups fed with fish extracts had marked improvement in the levels of total LDL & HDL cholesterol, triglycerides and creatinine. Groups fed with extracts from S. fimbriata seem to have fared better as compared to S. longiceps. However, both groups did not show any marked improvement in blood glucose levels or levels of urea.Cell lines of MCF-7 (Breast Cancer) and DU-145 (Prostate Cancer) were used to analyse the cytotoxicity of the PUFA extracts. Both cell lines were subjected to MTT Assay and later the plates were read using an ELISA reader at a wavelength of 570nm. It was found that both extracts had significant cytotoxic effects against both cell lines and a peak cytotoxicity of 85-90% was apparent. IC50 values were calculated from the graphs and it was found that S. longiceps extracts had a slightly lower IC50 value indicating that it is toxic even at a lower concentration as compared to extracts from S. fimbriata.This study summarizes the bioactivity profile of PUFA extracts and provides recommendation for dietary intake; fish based nutritional industry and indigenous pharmaceutical industry. Possible future directions of this study are also elaborated.

Studies on isolation and molecular characterization of plasmids from Vibrios

While the seriousness of the problem of antibiotic resistance is now recognized, the complex web of resistance linking humans, animals, and the environment is getting realized. More often, antibiotics are used as a preventive measure against diseases. Antibiotic use for agriculture leads to the increased resistance in the environment since antibiotics are inevitable element during agriculture/aquaculture and antibiotic residues are excreted as waste that is frequently spread onto farmland as organic fertilizer. Fecal bacteria survive long periods in the environment and spread through runoff into groundwater, rivers, and marine ecosystems.However, horizontal gene transfer occurs in the animals and guts of humans and in a variety of ecosystems, creating a pool of resistance in the rice fields and open waters. Even if people are not in direct contact with resistant disease through food animals, there are chances of contact with resistant fecal pathogens from the environment. Additionally, pathogens that are autochthonous to the environment can acquire resistance genes from the environment. Our study revealed that autochthonous , bacteria Vibrio spp gained antibiotic resistance in the environment. Further, it was evident that horizontal gene transfer occurs in Vibrio by means of plasmids, which further augments the gravity of the problem. Non-pathogenic bacteria may also acquire resistance genes and serve as a continuing source of resistance for other bacteria, both in the environment, and in the human gut. As the effectiveness of antibiotics for medical applications decline, the indiscriminate use of in aquaculture and in humans can have disastrous conditions in future due to horizontal gene transfer and the spread of resistant organisms: We must recognize and deal with the threat posed by overuse of antibiotics.

Biochemical effects of ethanol on oreochromis mossambicus (Peters)

The present study dealt with the haematological, biochemical and istopathological impacts of different sub lethal concentrations of ethanol on a euryhaline teleost Oreochromis In05.s‘ambicu.5' (Peters).Studies carried out using GC indicated an increase in blood ethanol oncentration of the fish which mainly arose due to fishes entering into a state of hypoxia which explains ethanol production as an ubiquitous “anaerobic” end product, which gets accumulated whenever metabolic demand exceeds the mitochondrial oxidative potential. The very low amount of ethanol detected in the control group ofO mossambicns was mainly due to the activity of microorganisms in the gut ofO. Nzossambicus.Oedcma observed in the present study, is a defense mechanism that reduces the branchial superficial area of the fish which comes in contact with the external milieu. These mechanisms also increase the diffusion barrier to the pollutant. Dilation of the blood vessels is due to increased permeability helping in the free passage of ethanol into the blood stream. Telangiectasis observed explains the state of asphyxia of the fish when subjected to ethanol toxicity indicating acute respiratory distress. Gill aneurysm observed indicates impaired respiratory function. This is related to the rupture of the pillar cells which results in an increased blood flow inside the lamellae, causing dilation of the blood vessel or even aneurysm of gill.The present findings warrant future studies to explore A'T'Pases as possible biomarkers of pollutant exposure in ecotoxicology. This study indicated that O. mossambicus when exposed for 7 and 21 days to ethanol was under tremendous stress and parameters employed in this study can be adapted for future investigations as biomarkers of damage caused by ethanol to aquatic organisms. The present study revealed that O. mossambicus is sensitive to sub lethal concentrations of ethanol.

Studies on amylolytic bacteria in Cochin backwaters

This thesis Entitled Studies on amylolytic bacteria in cochin backwaters.This thesis presents a detailed account of the disribution of amylolytic bacteria in water. sediment. fishes ( Etroplus suratensis and Liza parsia) • prawns ( Penaeus indicus and Metapenaeus dobsoni) and clams ( Sunetta scripta and Meretrix casta) from Cochin backwaters. genera-wise distribution of amylolytic bacteria, ability of selected strains to grow and produce amylase at various physico-chemical conditions. Regulation of amylase synthesis anrt characters of amylases producer by these halophilic bacteria.Amylolytic bacteria are distributed widely in water. sediment. fishes. prawns and clams of Cochin back waters. 53% of the total isolates tested were capable of producing amylase. Maximum number of arnylolytic bacteria were present in Metapenaeus dobsoni. In general, the gut region of aquatic animals harboured more amylolytic bacteria than the gill or surface. These bacteria may help in the digestion of starch present in their food.Presence of ions in the medium was found to be essential for growth and amylase production. It was found that this ionic requirement is not highly specific. Sorlium chloride could be replaced by potassium chloride. or magnesium chloride to some extent I without affecting growth and amylase production. The important function of these ions may be to maintain the osmotic balance between the cells and their environment.All the isolates showed the ability to grow and produce amylase using raw-starches from cassava. plantain and potato .This property suggests their role in the rdegradation of native starches in the environment

Implications of Hydrobiology and Nutrient dynamics on trophic structure and interactions in Cochin backwaters

In the present thesis entitled” Implications of Hydrobiology and Nutrient dynamics on Trophic structure and Interactions in Cochin backwaters”, an attempt has been made to assess the influence of general hydrography, nutrients and other environmental factors on the abundance, distribution and trophic interactions in Cochin backwater system. The study was based on five seasonal sampling campaigns carried out at 15 stations spread along the Cochin backwater system. The thesis is presented in the following 5 chapters. Salient features of each chapter are summarized below: Chapter 1- General Introduction: Provides information on the topic of study, environmental factors, back ground information, the significance, review of literature, aim and scope of the present study and its objectives.Chapter 2- Materials and Methods: This chapter deals with the description of the study area and the methodology adopted for sample collection and analysis. Chapter 3- General Hydrograhy and Sediment Characteristics: Describes the environmental setting of the study area explaining seasonal variation in physicochemical parameters of water column and sediment characteristics. Data on hydrographical parameters, nitrogen fractionation, phosphorus fractionation and biochemical composition of the sediment samples were assessed to evaluate the trophic status. Chapter 4- Nutrient Dynamics on Trophic Structure and Interactions: Describes primary, secondary and tertiary production in Cochin backwater system. Primary production related to cell abundance, diversity of phytoplankton that varies seasonally, concentration of various pigments and primary productivitySecondary production refers to the seasonal abundance of zooplankton especially copepod abundance and tertiary production deals with seasonal fish landings, gut content analysis and proximate composition of dominant fish species. The spatiotemporal variation, interrelationships and trophic interactions were evaluated by statistical methods. Chapter 5- Summary: The results and findings of the study are summarized in the fifth chapter of the thesis.

Ecological characteristics of prawn culture fields in the Cochin area

Prawn culture by traditional method forms an important occupation for the people in these areas, especially in the Vypeen island. Though short term studies have been made on various aspects of prawn culture field and its ecology, a study of detailed nature covering perennial, seasonal, fields and canals between coconut plantation is lacking from these areas. This study will also enable to assess the relative productivity of different systems during different seasons and the influence of the environment on the production potentials. Therefore the present study is taken upto throw more light on the ecological characteristics of these fields with special emphasis on its primary, secondary and tertiary production. The present area of investigation includes the prawn culture fields adjacent to Cochin backwater. The Cochin backwater (O9° 58'N 76° 28'E) is a shallow semi-enclosed body of water of tropical estuary. A narrow gut, about 450 M wide forms its main connection with the Arabian sea and this region is subjected to regular tidal influenceertiary production.

The digestive system in the cephalopode

Three species of cephalopod molluacs collected from the waters in and around cochin area of the Arabian Sea, of south India formed the subject of the present study. The Species are loligo duvauceli, _Sepia_ aculeata and sepiella inermis, their food and feeding habits, morphology and histology of the gut as well as the physiology of digestion have been described

Pathological changes in Fenneropenaeus indicus experimentally infected with white spot virus and virus morphogenesis

To demonstrate pathological changes due to white spot virus infection in Fenneropenaeus indicus, a batch of hatchery bred quarantined animals was experimentally infected with the virus. Organs such as gills, foregut, mid-gut, hindgut, nerve, eye, heart, ovary and integument were examined by light and electron microscopy. Histopathological analyses revealed changes hitherto not reported in F. indicus such as lesions to the internal folding of gut resulted in syncytial mass sloughed off into lumen, thickening of hepatopancreatic connective tissue with vacuolization of tubules and necrosis of rectal pads in hindgut. Virus replication was seen in the crystalline tract region of the compound eye and eosinophilic granules infiltrated from its base. In the gill arch, dilation and disintegration of median blood vessel was observed. In the nervous tissues, encapsulation and subsequent atrophy of hypertrophied nuclei of the neurosecretory cells were found. Transmission electron microscopy showed viral replication and morphogenesis in cells of infected tissue. De novo formed vesicles covered the capsid forming a bilayered envelop opened at one end inside the virogenic stroma. Circular vesicles containing nuclear material was found fused with the envelop. Subsequent thickening of the envelop resulted in the fully formed virus. In this study, a correlation was observed between the stages of viral multiplication and the corresponding pathological changes in the cells during the WSV infection. Accordingly, gill and foregut tissues were found highly infected during the onset of clinical signs itself, and are proposed to be used as the tissues for routine disease diagnosis.

Truncated VP28 as oral vaccine candidate against WSSV infection in shrimp: An uptake and processing study in the midgut of Penaeus monodon

Several oral vaccination studies have been undertaken to evoke a better protection against white spot syndrome virus (WSSV), amajor shrimp pathogen. Formalin-inactivated virus andWSSV envelope protein VP28 were suggested as candidate vaccine components, but their uptake mechanism upon oral delivery was not elucidated. In this study the fate of these components and of live WSSV, orally intubated to black tiger shrimp (Penaeus monodon) was investigated by immunohistochemistry, employing antibodies specific for VP28 and haemocytes. The midgut has been identified as the most prominent site of WSSV uptake and processing. The truncated recombinant VP28 (rec-VP28), formalin-inactivated virus (IVP) and live WSSV follow an identical uptake route suggested as receptor-mediated endocytosis that starts with adherence of luminal antigens at the apical layers of gut epithelium. Processing of internalized antigens is performed in endo-lysosomal compartments leading to formation of supra-nuclear vacuoles. However, the majority of WSSV-antigens escape these compartments and are transported to the inter-cellular space via transcytosis. Accumulation of the transcytosed antigens in the connective tissue initiates aggregation and degranulation of haemocytes. Finally the antigens exiting the midgut seem to reach the haemolymph. The nearly identical uptake pattern of the different WSSV-antigens suggests that receptors on the apical membrane of shrimp enterocytes recognize rec-VP28 efficiently. Hence the truncated VP28 can be considered suitable for oral vaccination, when the digestion in the foregut can be bypassed

The Major Digestive Enzymes in Etroplus suratensis and Oreochromis mossambicus: Distribution and Characteristics

The major digestive enzyme activities and digestive indices were compared between Etroplus suratensis and Oreochromis mossambicus. Pepsin - like acid proteases that acts on low pH has been identified all along the digestive tract of both the fishes. Comparatively low alpha amylase activity is shown by the E. suratensis and the enzyme is distributed almost equally throughout the intestinal segments in both the species. Very low alkaline protease activity is found in the stomach of both the fishes and in O. mossambicus, the enzyme activity diminishes extensively towards the posterior portion of the intestine whereas in E. suratensis the activity increases towards the posterior part. The present study showed that lipase is one of the prominent digestive enzymes in O. mossambicus with a remarkable specific activity throughout the digestive tract than that of E. suratensis .It has been noted that O. mossambicus has a higher values for digestive somatic index, hepato somatic index, intestinal coefficient and gut Vs standard length ratio than that of E. suratensis indicating its higher digestive and metabolic capabilities. The early maturity and fast growth of O. mossambicus can be explained by their enhanced digestive indices. The compa ratively low activities of acid protease, amylase, lipase and total alkaline protease of E. suratensis revealed poor digestive capacity than that of O. mossambicus

Entwicklung der Windenergietechnik in Deutschland und der Einfluss staatlicher Förderpolitik - Technikentwicklung in den 90er Jahren zwischen Markt und Forschungsförderung

Seit gut zehn Jahren erlebt die Windenergienutzung in Deutschland einen in der Mitte der 80er Jahre nicht für möglich gehaltenen Aufschwung. Anlagenanzahl und installierte Leistung haben in diesem Zeitraum mit durchschnittlichen jährlichen Wachstumsraten von mehr als 30 Prozent zugenommen, die mittlere installierte Leistung pro neu errichteter Anlage stieg dabei um das Zehnfache und die technische Verfügbarkeit der Anlagen liegt mittlerweile bei über 98 Prozent. Mit größer werdenden Anlagen zeigt sich weiterhin ein klarer Trend zu Blattwinkel verstellbaren Konzepten, mit zunehmend drehzahlvariabler Betriebsweise. Vor dem von Vielen für die kommenden drei bis sechs Jahre prognostizierten Einstieg in die großtechnische Offshore- Windenergienutzung mit den damit verbundenen immensen technologischen und strukturellen Herausforderungen erscheint es sinnvoll, einen kritischen Blick zurückzuwerfen auf die 90er Jahre mit den ihnen zugrunde liegenden förderpolitischen Rahmenbedingungen. Dabei soll die Frage beantwortet werden, welchen konkreten Einfluss die staatlichen Forschungs- und Förderprogramme, besonders das "250 MW Wind"-Programm, auf die Entwicklung der Windenergienutzung hatten, das heißt, unter welchen Bedingungen sich bestimmte Techniklinien durchsetzten, wie der Einfluss eines geschützten Marktes durch gesetzlich garantierte Einspeisetarife auf diese Entwicklung zu bewerten ist und schließlich, welche Fehlentwicklungen möglicher Weise eingetreten sind. Dazu wird mit Hilfe von Lernkurven gezeigt, welche Kostenreduktionen insgesamt erzielt wurden, wie hoch die dazu notwendigen staatlichen Finanzmittel waren und welche Schlussfolgerungen daraus für die Zukunft abgeleitet werden können. Die Arbeit soll insgesamt dazu beitragen, die erreichten technischen Entwicklungsschritte vor dem Hintergrund der förderpolitischen Gegebenheiten besser zu verstehen, Chancen für gezielte Änderungen in der Förderpraxis zu ergreifen und Hinweise auf die Ausgestaltung von zukünftigen Forschungsprogrammen und Entwicklungsschwerpunkten im Bereich der Windenergie zu geben, um weitere Kostensenkungspotenziale auszuschöpfen. Dabei wird sich die zukünftige Schwerpunktsetzung in der programmatischen Ausrichtung der Forschung stärker auf die drei wichtigsten Anwendungsfelder für Windenergieanlagen konzentrieren müssen, die großtechnische Offshore- Anwendung, die netzgebundene, dezentrale Energieversorgung sowie auf Windenergieanlagen zur ländlichen Elektrifizierung in autonomen Versorgungssystemen für Schwellen- und Entwicklungsländer.

Zerrissen - zernagt - zerfallen

Das schriftliche Kulturgut zu bewahren ist eine der wichtigsten Aufgaben der Bibliotheken. Aus den jährlich zugewiesenen Mitteln können sie diese Aufgabe aber nicht allein finanzieren. Deshalb versuchen die Bibliotheken über verschiedene Maßnahmen, die Öffentlichkeit über diese Situation zu informieren. Die Sparkassen-Kulturstiftung Hessen-Thüringen hatte sich dieses Themas 2004 angenommen und unter dem Thema "Zerrissen, zernagt, zerfallen" Bestandsschäden in hessischen Bibliotheken in einer zentralen Ausstellung vorgestellt. Nun will die Universitätsbibliothek Kassel in einer eigenen Ausstellung auf die lokalen Probleme von Restaurierung und Konservierung ihrer Altbestände aus der Landesbibliothek und Murhardsche Bibliothek der Stadt Kassel in den Räumen der Kasseler Sparkasse in der Wolfsschlucht hinweisen. Nach einer Erhebung von 2004 sind 42 % des Buchbestandes der hessischen Bibliotheken durch saures Papier oder Verschleiß geschädigt. Die Landesbibliothek Kassel hat als Archivbibliothek für Nordhessen eine Erhaltungspflicht für die in Nordhessen gedruckten Bücher. Bei einem Bestand von gut 450.000 Büchern ist die Anzahl der restaurierungsbedürftigen Bücher ein Massenproblem, das die Bibliothek finanziell völlig überfordert. Während sich für die attraktiven Stücke der Handschriftensammlung relativ leicht ein Sponsor für Restaurierungsarbeiten findet, ist das eigentliche Problem der Bibliothek aber die Erhaltung des normalen Bestandes, nämlich der Massen an Archivexemplaren, die oft äußerlich recht unattraktiv, aber für die Forschung zur hessischen Geschichte und Landeskunde unverzichtbar sind. Das besonders Schlimme an den Säureschäden in den Büchers ist, das sich im Laufe des Zersetzungsprozesses von selbst immer mehr Säure bildet, so daß sich der Zerfallsprozeß immer mehr beschleunigt.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.