Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

Luminescence from Surfactant-Free ZnO Quantum Dots Prepared by Laser Ablation in Liquid

Highly transparent, luminescent and biocompatible ZnO quantum dots were prepared in water, methanol, and ethanol using liquid-phase pulsed laser ablation technique without using any surfactant. Transmission electron microscopy analysis confirmed the formation of good crystalline ZnO quantum dots with a uniform size distribution of 7 nm. The emission wavelength could be varied by varying the native defect chemistry of ZnO quantum dots and the laser fluence. Highly luminescent nontoxic ZnO quantum dots have exciting application potential as florescent probes in biomedical applications.

Development of a Technique for Estimating Rain Parameters from Rain Noise Measurements

The measurement of global precipitation is of great importance in climate modeling since the release of latent heat associated with tropical convection is one of the pricipal driving mechanisms of atmospheric circulation.Knowledge of the larger-scale precipitation field also has important potential applications in the generation of initial conditions for numerical weather prediction models Knowledge of the relationship between rainfall intensity and kinetic energy, and its variations in time and space is important for erosion prediction. Vegetation on earth also greatly depends on the total amount of rainfall as well as the drop size distribution (DSD) in rainfall.While methods using visible,infrared, and microwave radiometer data have been shown to yield useful estimates of precipitation, validation of these products for the open ocean has been hampered by the limited amount of surface rainfall measurements available for accurate assessement, especially for the tropical oceans.Surface rain fall measurements(often called the ground truth)are carried out by rain gauges working on various principles like weighing type,tipping bucket,capacitive type and so on.The acoustic technique is yet another promising method of rain parameter measurement that has many advantages. The basic principle of acoustic method is that the droplets falling in water produce underwater sound with distinct features, using which the rainfall parameters can be computed. The acoustic technique can also be used for developing a low cost and accurate device for automatic measurement of rainfall rate and kinetic energy of rain.especially suitable for telemetry applications. This technique can also be utilized to develop a low cost Disdrometer that finds application in rainfall analysis as well as in calibration of nozzles and sprinklers. This thesis is divided into the following 7 chapters, which describes the methodology adopted, the results obtained and the conclusions arrived at.

Effect of vanadia on physico-chemical and catalytic characteristics of dysprosia

Physico-chemical characterization of DY203/V2O5 systems prepared through wet impregnation method has been carried out using various techniques like EDX, XRD, FTIR. thermal studies, BET surface area, pore volume and pore size distribution analysis. The amount of vanadia incorporated has been found to influence the surface properties of dysprosia. The spectroscopic results combining with X-ray analysis reveal that vanadia species exist predominantly as isolated amorphous vanadyl units along with crystalline dysprosium orthovanadate. Basicity studies have been conducted by adsorption of electron acceptors and acidity and acid strength distribution by temperature programmed desorption of ammonia. Cyclohexanol decomposition has been employed as a chemical probe reaction to examine the effect of vanadia on the acid base property of Dy2O3. Incorporation of vanadia titrates thc Lewis acid and base sites of Dy2O3, while an enhancement of Bronsted acid sites has been noticed. Data have been correlated with the catalytic activity of these oxides towards the vapour phase methylation of phenol

Studies on Laser Induced and RF Sputtered Plasma using Optical Emission Spectroscopy and Langmuir Probe

The main objective of the present study is to understand different mechanisms involved in the production and evolution of plasma by the pulsed laser ablation and radio frequency magnetron sputtering. These two methods are of particular interest, as these are well accomplished methods used for surface coatings, nanostructure fabrications and other thin film devices fabrications. Material science researchers all over the world are involved in the development of devices based on transparent conducting oxide (TCO) thin films. Our laboratory has been involved in the development of TCO devices like thin film diodes using zinc oxide (ZnO) and zinc magnesium oxide (ZnMgO), thin film transistors (TFT's) using zinc indium oxide and zinc indium tin oxide, and some electroluminescent (EL) devices by pulsed laser ablation and RF magnetron sputtering.In contrast to the extensive literature relating to pure ZnO and other thin films produced by various deposition techniques, there appears to have been relatively little effort directed towards the characterization of plasmas from which such films are produced. The knowledge of plasma dynamics corresponding to the variations in the input parameters of ablation and sputtering, with the kind of laser/magnetron used for the generation of plasma, is limited. To improve the quality of the deposited films for desired application, a sound understanding of the plume dynamics, physical and chemical properties of the species in the plume is required. Generally, there is a correlation between the plume dynamics and the structural properties of the films deposited. Thus the study of the characteristics of the plume contributes to a better understanding and control of the deposition process itself. The hydrodynamic expansion of the plume, the composition, and SIze distribution of clusters depend not only on initial conditions of plasma production but also on the ambient gas composition and pressure. The growth and deposition of the films are detennined by the thermodynamic parameters of the target material and initial conditions such as electron temperature and density of the plasma.For optimizing the deposition parameters of various films (stoichiometric or otherwise), in-situ or ex-situ monitoring of plasma plume dynamics become necessary for the purpose of repeatability and reliability. With this in mind, the plume dynamics and compositions of laser ablated and RF magnetron sputtered zinc oxide plasmas have been investigated. The plasmas studied were produced at conditions employed typically for the deposition of ZnO films by both methods. Apart from this two component ZnO plasma, a multi-component material (lead zirconium titanate) was ablated and plasma was characterized.

Microstructural evolution of primary crystallization in diffusion-controlled grain growth

A model has been developed for evaluating grain size distributions in primary crystallizations where the grain growth is diffusion controlled. The body of the model is grounded in a recently presented mean-field integration of the nucleation and growth kinetic equations, modified conveniently in order to take into account a radius-dependent growth rate, as occurs in diffusion-controlled growth. The classical diffusion theory is considered, and a modification of this is proposed to take into account interference of the diffusion profiles between neighbor grains. The potentiality of the mean-field model to give detailed information on the grain size distribution and transformed volume fraction for transformations driven by nucleation and either interface- or diffusion-controlled growth processes is demonstrated. The model is evaluated for the primary crystallization of an amorphous alloy, giving an excellent agreement with experimental data. Grain size distributions are computed, and their properties are discussed.

Synthesis of Bio-Compatible SPION–based Aqueous Ferrofluids and Evaluation of RadioFrequency Power Loss for Magnetic Hyperthermia

Bio-compatible magnetic fluids having high saturation magnetization find immense applications in various biomedical fields. Aqueous ferrofluids of superparamagnetic iron oxide nanoparticles with narrow size distribution, high shelf life and good stability is realized by controlled chemical co-precipitation process. The crystal structure is verified by X-ray diffraction technique. Particle sizes are evaluated by employing Transmission electron microscopy. Room temperature and low-temperature magnetic measurements were carried out with Superconducting Quantum Interference Device. The fluid exhibits good magnetic response even at very high dilution (6.28 mg/cc). This is an advantage for biomedical applications, since only a small amount of iron is to be metabolised by body organs. Magnetic field induced transmission measurements carried out at photon energy of diode laser (670 nm) exhibited excellent linear dichroism. Based on the structural and magnetic measurements, the power loss for the magnetic nanoparticles under study is evaluated over a range of radiofrequencies.

Texture, composition and provinance of innershelf sediments between Narakkal and Purakkad, Kerala with special reference to the formation of Mud Banks

The continental shelf of southwest coast of India (Kerala) is broader and . flatter compared to that of the east coast. The unique characteristic feature of the study area (innershelf between Narakkal and Purakkad) is the intermittent appearance of 'mud banks' at certain locations during southwest monsoon. The strong seasonality manifests significant changes in the wind, waves, currents, rainfall, drainage etc., along this area. Peculiar geomorphological variation with high, mid and lowlands in the narrow strip of the hinterland, the geological formations mainly consisting of rocks of metamorphic origin and the humid tropical weathering conditions play significant role in regulating the shelf sedimentation. A complementary pattern of distri bution is observed for clay that shows an abundance in the nearshore. Silt, to a major extent, depicts semblance with clay distribution . Summation of the total asymmetry of grain size distribution are inferred from the variation of skewness and kurtosis.Factor I implies a low energy regime where the transportation and deposition phases are controlled mostly by pelagic suspension process as the factor loadings are dominant on finer phi sizes. The second Factor is inferred to be the result of a high energy regime which gives higher loadings on coarser size fractions. The third Factor which might be a transition phase (medium energy regime) representing the resultant flux of coastal circulation of the re-suspension/deposition and an onshoreoffshore advection by reworking and co-deposition of relict and modern sediments. The spatial variations of the energy regime based on the three end-member factor model exhibits high energy zone in the seaward portion transcending to a low energy one towards the coast.From the combined analysis of granulometry and SEM studies, it is concluded that the sandy patches beyond 20 m depth are of relict nature. They are the resultant responses of beach activity during the lower stand of sea level in the Holocene. Re-crystallisation features on the quartz grains indicate that they were exposed to subaerial weathering process subsequent to thei r deposition

Coherent Stranski-Krastanov growth in 1+1 dimensions with anharmonic interactions: An equilibrium study

The formation of coherently strained three-dimensional (3D) islands on top of the wetting layer in the Stranski-Krastanov mode of growth is considered in a model in 1 + 1 dimensions accounting for the anharmonicity and nonconvexity of the real interatomic forces. It is shown that coherent 3D islands can be expected to form in compressed rather than expanded overlayers beyond a critical lattice misfit. In expanded overlayers the classical Stranski-Krastanov growth is expected to occur because the misfit dislocations can become energetically favored at smaller island sizes. The thermodynamic reason for coherent 3D islanding is incomplete wetting owing to the weaker adhesion of the edge atoms. Monolayer height islands with a critical size appear as necessary precursors of the 3D islands. This explains the experimentally observed narrow size distribution of the 3D islands. The 2D-3D transformation takes place by consecutive rearrangements of mono- to bilayer, bi- to trilayer islands, etc., after the corresponding critical sizes have been exceeded. The rearrangements are initiated by nucleation events, each one needing to overcome a lower energetic barrier than the one before. The model is in good qualitative agreement with available experimental observations.

Design and study of self-assembled functional organic and hybrid systems for biological applications

The focus of self-assembly as a strategy for the synthesis has been confined largely to molecules, because of the importance of manipulating the structure of matter at the molecular scale. We have investigated the influence of temperature and pH, in addition to the concentration of the capping agent used for the formation of the nano-bio conjugates. For example, the formation of the narrower size distribution of the nanoparticles was observed with the increase in the concentration of the protein, which supports the fact that γ-globulin acts both as a controller of nucleation as well as stabiliser. As analyzed through various photophysical, biophysical and microscopic techniques such as TEM, AFM, C-AFM, SEM, DLS, OPM, CD and FTIR, we observed that the initial photoactivation of γ-globulin at pH 12 for 3 h resulted in small protein fibres of ca. Further irradiation for 24 h, led to the formation of selfassembled long fibres of the protein of ca. 5-6 nm and observation of surface plasmon resonance band at around 520 nm with the concomitant quenching of luminescence intensity at 680 nm. The observation of light triggered self-assembly of the protein and its effect on controlling the fate of the anchored nanoparticles can be compared with the naturally occurring process such as photomorphogenesis.Furthermore,our approach offers a way to understand the role played by the self-assembly of the protein in ordering and knock out of the metal nanoparticles and also in the design of nano-biohybrid materials for medicinal and optoelectronic applications. Investigation of the potential applications of NIR absorbing and water soluble squaraine dyes 1-3 for protein labeling and anti-amyloid agents forms the subject matter of the third chapter of the thesis. The study of their interactions with various proteins revealed that 1-3 showed unique interactions towards serum albumins as well as lysozyme. 69%, 71% and 49% in the absorption spectra as well as significant quenching in the fluorescence intensity of the dyes 1-3, respectively. Half-reciprocal analysis of the absorption data and isothermal titration calorimetric (ITC) analysis of the titration experiments gave a 1:1 stoichiometry for the complexes formed between the lysozyme and squaraine dyes with association constants (Kass) in the range 104-105 M-1. We have determined the changes in the free energy (ΔG) for the complex formation and the values are found to be -30.78, -32.31 and -28.58 kJmol-1, respectively for the dyes 1, 2 and 3. Furthermore, we have observed a strong induced CD (ICD) signal corresponding to the squaraine chromophore in the case of the halogenated squaraine dyes 2 and 3 at 636 and 637 nm confirming the complex formation in these cases. To understand the nature of interaction of the squaraine dyes 1-3 with lysozyme, we have investigated the interaction of dyes 1-3 with different amino acids. These results indicated that the dyes 1-3 showed significant interactions with cysteine and glutamic acid which are present in the side chains of lysozyme. In addition the temperature dependent studies have revealed that the interaction of the dye and the lysozyme are irreversible. Furthermore, we have investigated the interactions of these NIR dyes 1-3 with β- amyloid fibres derived from lysozyme to evaluate their potential as inhibitors of this biologically important protein aggregation. These β-amyloid fibrils were insoluble protein aggregates that have been associated with a range of neurodegenerative diseases, including Huntington, Alzheimer’s, Parkinson’s, and Creutzfeldt-Jakob diseases. We have synthesized amyloid fibres from lysozyme through its incubation in acidic solution below pH 4 and by allowing to form amyloid fibres at elevated temperature. To quantify the binding affinities of the squaraine dyes 1-3 with β-amyloids, we have carried out the isothermal titration calorimetric (ITC) measurements. The association constants were determined and are found to be 1.2 × 105, 3.6× 105 and 3.2 × 105 M-1 for the dyes, 1-3, respectively. To gain more insights into the amyloid inhibiting nature of the squaraine dyes under investigations, we have carried out thioflavin assay, CD, isothermal titration calorimetry and microscopic analysis. The addition of the dyes 1-3 (5μM) led to the complete quenching in the apparent thioflavin fluorescence, thereby indicating the destabilization of β-amyloid fibres in the presence of the squaraine dyes. Further, the inhibition of the amyloid fibres by the squaraine dyes 1-3, has been evidenced though the DLS, TEM AFM and SAED, wherein we observed the complete destabilization of the amyloid fibre and transformation of the fibre into spherical particles of ca. These results demonstrate the fact that the squaraine dyes 1-3 can act as protein labeling agents as well as the inhibitors of the protein amyloidogenesis. The last chapter of the thesis describes the synthesis and investigation of selfassembly as well as bio-imaging aspects of a few novel tetraphenylethene conjugates 4-6.Expectedly, these conjugates showed significant solvatochromism and exhibited a hypsochromic shift (negative solvatochromism) as the solvent polarity increased, and these observations were justified though theoretical studies employing the B3LYP/6-31g method. We have investigated the self-assembly properties of these D-A conjugates though variation in the percentage of water in acetonitrile solution due to the formation of nanoaggregates. Further the contour map of the observed fluorescence intensity as a function of the fluorescence excitation and emission wavelength confirmed the formation of J-type aggregates in these cases. To have a better understanding of the type of self-assemblies formed from the TPE conjugates 4-6, we have carried out the morphological analysis through various microscopic techniques such as DLS, SEM and TEM. 70%, we observed rod shape architectures having ~ 780 nm in diameter and ~ 12 μM in length as evidenced through TEM and SEM analysis. We have made similar observations with the dodecyl conjugate 5 at ca. 70% and 50% water/acetonitrile mixtures, the aggregates formed from 4 and 5 were found to be highly crystalline and such structures were transformed to amorphous nature as the water fraction was increased to 99%. To evaluate the potential of the conjugate as bio-imaging agents, we have carried out their in vitro cytotoxicity and cellular uptake studies though MTT assay, flow cytometric and confocal laser scanning microscopic techniques. Thus nanoparticle of these conjugates which exhibited efficient emission, large stoke shift, good stability, biocompatibility and excellent cellular imaging properties can have potential applications for tracking cells as well as in cell-based therapies. In summary we have synthesized novel functional organic chromophores and have studied systematic investigation of self-assembly of these synthetic and biological building blocks under a variety of conditions. The investigation of interaction of water soluble NIR squaraine dyes with lysozyme indicates that these dyes can act as the protein labeling agents and the efficiency of inhibition of β-amyloid indicate, thereby their potential as anti-amyloid agents.

Catalysis by Modified Pillared Clays and Porous Clay Heterostructures

In this venture three distinct class of catalysts such as, pillared clays and transition metal loaded pillared clays , porous clay heterostructures and their transition metal loaded analogues and DTP supported on porous clay heterostructures etc. were prepared and characterized by various physico chemical methods. The catalytic activities of prepared catalysts were comparatively evaluated for the industrially important alkylation, acetalization and oxidation reactions.The general conclusions drawn from the present investigation are  Zirconium, iron - aluminium pillared clays were synthesized by ion exchange method and zirconium-silicon porous heterostructures were Summary and conclusions 259 prepared by intergallery template method. Transition metals were loaded in PILCs and PCHs by wet impregnation method.  Textural and acidic properties of the clays were modified by pillaring and post pillaring modifications.  The shift in 2θ value to lower range and increase in d (001) spacing indicate the success of pillaring process.  Surface area, pore volume, average pore size etc. increased dramatically as a result of pillaring process.  Porous clay heterostructures have higher surface area, pore volume, average pore diameter and narrow pore size distribution than that of pillared clays.  The IR spectrum of PILCs and PCHs are in accordance with literature without much variation compared to parent montmorillonite which indicate that basic clay structure is retained even after modification.  The silicon NMR of PCHs materials have intense peaks corresponding to Q4 environment which indicate that mesoporous silica is incorporated between clay layers.  Thermo gravimetric analysis showed that thermal stability is improved after the pillaring process. PCH materials have higher thermal stability than PILCs.  In metal loaded pillared clays, up to 5% metal species were uniformly dispersed (with the exception of Ni) as evident from XRD and TPR analysis. Chapter 9 260  Impregnation of transition metals in PILCs and PCHs enhanced acidity of catalysts as evident from TPD of ammonia and cumene cracking reactions.  For porous clay heterostructures the acidic sites have major contribution from weak and medium acid sites which can be related to the Bronsted sites as evident from TPD of ammonia.  Pillared clays got more Lewis acidity than PCHs as inferred from α- methyl styrene selectivity in cumene cracking reaction.  SEM images show that layer structure is preserved even after modification. Worm hole like morphology is observed in TEM image of PCHs materials  In ZrSiPCHS, Zr exists as Zr 4+ and is incorporated to silica pillars in the intergallary of clay layers as evident from XPS analysis.  In copper loaded zirconium pillared clays, copper exists as isolated species with +2 oxidation state at lower loading. At higher loading, Cu exists as clusters as evident from reduction peak at higher temperatures in TPR.  In vanadium incorporated PILCs and PCHs, vanadium exist as isolated V5+ in tetrahedral coordination which is confirmed from TPR and UVVis DRS analysis.  In cobalt loaded PCHs, cobalt exists as CoO with 2+ oxidation state as confirmed from XPS.  Cerium incorporated iron aluminium pillared clay was found to be the best catalyst for the hydroxylation of phenol in aqueous media due to the additional surface area provided by ceria mesopores and its redox properties. Summary and conclusions 261  Cobalt loaded zirconium porous clay heterostructures were found to be promising catalyst for the tertiary butylation of phenol due to higher surface area and acidic properties.  Copper loaded pillared clays were found to be good catalyst for the direct hydroxylation of benzene to phenol.  Vanadium loaded PCHs catalysts were found to be efficient catalysts for oxidation of benzyl alcohol.  DTP was firmly fixed on the mesoporous channels of PCHs by Direct method and functionalization method.  DTP supported PCHs catalyst were found to be good catalyst for acetalization of cyclohexanone with more than 90% conversion.

Spechte als ökologische Indikatoren in Natur- und Wirtschaftswäldern im Bialowiera-Wald (Ostpolen)

Die vorliegende Untersuchung analysiert die Eignung der "Spechtgemeinschaft" als ökologische Indikatorengruppe und formuliert vor dem Hintergrund der Ergebnisse Forderungen und Empfehlungen für einen "spechtgerechten" Umgang mit Wäldern. Die Habitatnutzung von sieben Spechtarten beim Nahrungserwerb wurde über einen Zeitraum von zwei Jahren in urwaldartigen und forstlich genutzten Beständen verschiedener Waldgesellschaften systematisch beobachtet. Das Untersuchungsgebiet ist der Bialowieza-Wald im äußersten Osten Polens, wo in enger räumlicher Nachbarschaft Natur- und Wirtschaftswaldflächen bearbeitet werden konnten. Die Beobachtungen erfolgten zwischen Anfang März 1999 und Ende Februar 2001 und wurden zu allen Jahreszeiten durchgeführt. Vier der insgesamt sechs Probeflächen repräsentieren die wichtigste Laubwaldgesellschaft des Gebietes, das Tilio-Carpinetum, die übrigen zwei die wichtigste Nadelwaldgesellschaft, das Peucedano-Pinetum. Die Hälfte der zwischen 42 und 54 ha großen Probeflächen lag im streng geschützten Urwaldreservat des Bialowieza-Nationalparkes, die übrigen in forstlich genutzten Waldbeständen. Zusätzlich wurde ein 2,5 km langes Transekt durch bewirtschafteten Erlen-Eschen-Auenwald und sehr naturnahen Erlenbruch bearbeitet. Die Probeflächen wurden in ein Raster aus 50x50m großen Quadranten unterteilt. Zur Beobachtung der Spechte beim Nahrungserwerb erfolgten 21 Begehungen je Probefläche bzw. Transekt. Die Probeflächen wurden dazu auf parallelen Linien mit Abständen von je 100m begangen, Startpunkt und Startrichtung wurden variiert. Zur Charakterisierung der Vegetation und Bestandesstruktur erfolgten Erhebungen zur Baumartenzusammensetzung, Größenklassenverteilung der Bäume, Totholzanteil und Krautvegetation. 1332 Beobachtungen von Spechten beim Nahrungserwerb konnten ausgewertet werden. Der Buntspecht wurde in allen Flächen am häufigsten gesehen. Mittel-, Weißrücken- und Kleinspecht wurden überwiegend in den Tilio-Carpineten beobachtet, in den Naturwäldern häufiger als in den bewirtschafteten Beständen. Der Dreizehenspecht wurde im Nadelwald und stärker mit Fichten durchmischtem Laubwald angetroffen. Bei Schwarz- und Grauspecht konnte keine klare Vorliebe für bestimmte Waldgesellschaften ermittelt werden. Der Buntspecht ernährte sich vor allem im Herbst und Winter überwiegend von fetthaltigen Samen und wurde dann meist beim Bearbeiten von Fichten- oder Kiefernzapfen in Schmieden beobachtet. Der Mittelspecht suchte als "Sammelspecht" seine Nahrung vor allem an den Oberflächen der Stämme und Äste. Klein-, Weißrücken-, Dreizehen- und Schwarzspecht traten als Hackspechte in Erscheinung. Die wenigen Daten zum Grauspecht reichen nicht zur Ermittlung der bevorzugten Nahrungserwerbstechnik aus. Bei Bunt-, Mittel- und Weißrückenspecht konnte eine deutliche Vorliebe für die Stieleiche als Nahrungsbaum nachgewiesen werden. Der Dreizehenspecht ist jedoch die einzige der beobachteten Arten mit einer weitgehenden Spezialisierung auf eine bestimmte Baumart, er nutzte in allen Waldgesellschaften meist die Fichte. Insgesamt bevorzugten die Spechte Bäume mit großen Stammdurchmessern, beim Kleinspecht ist diese Vorliebe allerdings nur schwach ausgeprägt. Totholz wurde von Weißrücken-, Dreizehen- und Kleinspecht bei der Nahrungssuche bevorzugt, vom Mittelspecht jedoch nur gelegentlich genutzt. Beim Buntspecht zeigte der Totholz-Nutzungsanteil erhebliche Unterschiede zwischen verschiedenen Baumarten. Liegendes Totholz spielte in den Tilio-Carpineten im Vergleich zu stehendem Totholz und toten Teilen lebender Bäume nur eine geringe Rolle für Nahrung suchende Spechte.

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.

Agricultural practices and horizontal nutrient balances in urban gardens and the alternative use of urban agricultural land in Khartoum, Sudan

The surge in the urban population evident in most developing countries is a worldwide phenomenon, and often the result of drought, conflicts, poverty and the lack of education opportunities. In parallel with the growth of the cities is the growing need for food which leads to the burgeoning expansion of urban and peri-urban agriculture (UPA). In this context, urban agriculture (UA) contributes significantly to supplying local markets with both vegetable and animal produce. As an income generating activity, UA also contributes to the livelihoods of poor urban dwellers. In order to evaluate the nutrient status of urban soils in relation to garden management, this study assessed nutrient fluxes (inputs and outputs) in gardens on urban Gerif soils on the banks of the River Nile in Khartoum, the capital city of Sudan. To achieve this objective, a preliminary baseline survey was carried out to describe the structure of the existing garden systems. In cooperation with the author of another PhD thesis (Ms. Ishtiag Abdalla), alternative uses of cow dung in brick making kilns in urban Khartoum were assessed; and the socio-economic criteria of the brick kiln owners or agents, economical and plant nutritional value of animal dung and the gaseous emission related to brick making activities were assessed. A total of 40 household heads were interviewed using a semi-structured questionnaire to collect information on demographic, socio-economic and migratory characteristics of the household members, the gardening systems used and the problems encountered in urban gardening. Based on the results of this survey, gardens were divided into three groups: mixed vegetable-fodder gardens, mixed vegetable-subsistence livestock gardens and pure vegetable gardens. The results revealed that UA is the exclusive domain of men, 80% of them non-native to Khartoum. The harvested produce in all gardens was market oriented and represented the main source of income for 83% of the gardeners. Fast growing leafy vegetables such as Jew’s mallow (Corchorous olitorius L.), purslane (Portulaca oleracea L.) and rocket (Eruca sativa Mill.) were the dominant cultivated species. Most of the gardens (95%) were continuously cultivated throughout the year without any fallow period, unless they were flooded. Gardeners were not generally aware of the importance of crop diversity, which may help them overcome the strongly fluctuating market prices for their produce and thereby strengthen the contributions of UA to the overall productivity of the city. To measure nutrient fluxes, four gardens were selected and their nutrients inputs and outputs flows were monitored. In each garden, all plots were monitored for quantification of nutrient inputs and outputs. To determine soil chemical fertility parameters in each of the studied gardens, soil samples were taken from three selected plots at the beginning of the study in October 2007 (gardens L1, L2 and H1) and in April 2008 (garden H2) and at the end of the study period in March 2010. Additional soil sampling occurred in May 2009 to assess changes in the soil nutrient status after the River Nile flood of 2008 had receded. Samples of rain and irrigation water (river and well-water) were analyzed for nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and carbon (C) content to determine their nutrient inputs. Catchment traps were installed to quantify the sediment yield from the River Nile flood. To quantify the nutrient inputs of sediments, samples were analyzed for N, P, K and organic carbon (Corg) content, cation exchange capacity (CEC) and the particle size distribution. The total nutrient inputs were calculated by multiplying the sediment nutrient content by total sediment deposits on individual gardens. Nutrient output in the form of harvested yield was quantified at harvest of each crop. Plant samples from each field were dried, and analyzed for their N, P, K and Corg content. Cumulative leaching losses of mineral N and P were estimated in a single plot in garden L1 from December 1st 2008 to July 1st 2009 using 12 ion exchange resins cartridges. Nutrients were extracted and analyzed for nitrate (NO3--N), ammonium (NH4+-N) and phosphate PO4-3-P. Changes in soil nutrient balance were assessed as inputs minus outputs. The results showed that across gardens, soil N and P concentrations increased from 2007 to 2009, while particle size distribution remained unchanged. Sediment loads and their respective contents of N, P and Corg decreased significantly (P < 0.05) from the gardens of the downstream lowlands (L1 and L2) to the gardens of the upstream highlands (H1 and H2). No significant difference was found in K deposits. None of the gardens received organic fertilizers and the only mineral fertilizer applied was urea (46-0-0). This equaled 29, 30, 54, and 67% of total N inputs to gardens L1, L2, H1, and H2, respectively. Sediment deposits of the River Nile floods contributed on average 67, 94, 6 and 42% to the total N, P, K and C inputs in lowland gardens and 33, 86, 4 and 37% of total N, P, K and C inputs in highland gardens. Irrigation water and rainfall contributed substantially to K inputs representing 96, 92, 94 and 96% of total K influxes in garden L1, L2, H1 and H2, respectively. Following the same order, total annual DM yields in the gardens were 26, 18, 16 and 1.8 t ha-1. Annual leaching losses were estimated to be 0.02 kg NH4+-N ha-1 (SE = 0.004), 0.03 kg NO3--N ha-1 (SE = 0.002) and 0.005 kg PO4-3-P ha-1 (SE = 0.0007). Differences between nutrient inputs and outputs indicated negative nutrient balances for P and K and positive balances of N and C for all gardens. The negative balances in P and K call for adoptions of new agricultural techniques such as regular manure additions or mulching which may enhance the soil organic matter status. A quantification of fluxes not measured in our study such as N2-fixation, dry deposition and gaseous emissions of C and N would be necessary to comprehensively assess the sustainability of these intensive gardening systems. The second part of the survey dealt with the brick making kilns. A total of 50 brick kiln owners/or agents were interviewed from July to August 2009, using a semi-structured questionnaire. The data collected included general information such as age, family size, education, land ownership, number of kilns managed and/or owned, number of months that kilns were in operation, quantity of inputs (cow dung and fuel wood) used, prices of inputs and products across the production season. Information related to the share value of the land on which the kilns were built and annual income for urban farmers and annual returns from dung for the animal raisers was also collected. Using descriptive statistics, budget calculation and Gini coefficient, the results indicated that renting the land to brick making kilns yields a 5-fold higher return than the rent for agriculture. Gini coefficient showed that the kiln owners had a more equal income distribution compared to farmers. To estimate emission of greenhouse gases (GHGs) and losses of N, P, K, Corg and DM from cow dung when used in brick making, samples of cow dung (loose and compacted) were collected from different kilns and analyzed for their N, P, K and Corg content. The procedure modified by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 1994) was used to estimate the gaseous emissions of cow dung and fuel wood. The amount of deforested wood was estimated according to the default values for wood density given by Dixon et al. (1991) and the expansion ratio for branches and small trees given by Brown et al. (1989). The data showed the monetary value of added N and P from cow dung was lower than for mineral fertilizers. Annual consumption of compacted dung (381 t DM) as biomass fuel by far exceeded the consumption of fuel wood (36 t DM). Gaseous emissions from cow dung and fuel wood were dominated by CO2, CO and CH4. Considering that Gerif land in urban Khartoum supports a multifunctional land use system, efficient use of natural resources (forest, dung, land and water) will enhance the sustainability of the UA and brick making activities. Adoption of new kilns with higher energy efficiency will reduce the amount of biomass fuels (cow dung and wood) used the amount of GHGs emitted and the threat to the few remaining forests.