Studies on Production of Bacterial Xylanases

Xylanases with hydrolytic activity on xylan, one of the hemicellulosic materials present in plant cell walls, have been identified long back and the applicability of this enzyme is constantly growing. All these applications especially the pulp and paper industries require novel enzymes. There has been lot of documentation on microbial xylanases, however, none meeting all the required characteristics. The characters being sought are: higher production, higher pH and temperature optima, good stabilities under these conditions and finally the low associated cellulase and protease production. The present study analyses various facets of xylanase biotechnology giving emphasis on bacterial xylanases. Fungal xylanases are having problems like low pH values for both enzyme activity and growth. Moreover, the associated production of cellulases at significant levels make fungal xylanases less suitable for application in paper and pulp industries.Bacillus SSP-34 selected from 200 isolates was clearly having xylan catabolizing nature distinct from earlier reports. The stabilities at higher temperatures and pH values along with the optimum conditions for pH and temperature is rendering Bacillus SSP-34 xylanase more suitable than many of the previous reports for application in pulp and paper industries.Bacillus SSP-34 is an alkalophilic thertmotolerant bacteria which under optimal cultural conditions as mentioned earlier, can produce 2.5 times more xylanase than the basal medium.The 0.5% xylan concentration in the medium was found to the best carbon source resulting in 366 IU/ml of xylanase activity. This induction was subjected to catabolite repression by glucose. Xylose was a good inducer for xylanase production. The combination of yeast extract and peptone selected from several nitrogen sources resulted in the highest enzyme production (379+-0.2 IU/ml) at the optimum final concentration of 0.5%. All the cultural and nutritional parameters were compiled and comparative study showed that the modified medium resulted in xylanase activity of 506 IU/ml, 5 folds higher than the basal medium.The novel combination of purification techniques like ultrafiltraton, ammonium sulphate fractionation, DEAE Sepharose anion exchange chromatography, CM Sephadex cation exchange chromatography and Gel permeation chromatography resulted in the purified xylanase having a specific activity of 1723 U/mg protein with 33.3% yield. The enzyme was having a molecular weight of 20-22 kDa. The Km of the purified xylanase was 6.5 mg of oat spelts xylan per ml and Vmax 1233 µ mol/min/mg protein.Bacillus SSP-34 xylanase resulted in the ISO brightness increase from 41.1% to 48.5%. The hydrolytic nature of the xylanase was in the endo-form.Thus the organism Bacillus SSP-34 was having interesting biotechnological and physiological aspects. The SSP-34 xylanase having desired characters seems to be suited for application in paper and pulp industries.

Development of bioreactors for nitrifying sewage

Nitrification is the biological oxidation of ammonium, first to nitrite and then to nitrate by two groups of aerobic, chemolithotrophic bacteria belonging to the family Nitrobacteriaceae. The biological nitrification in municipal wastewater treatment is important in those cases were ammonia removal requirement specially exist. In a trickling filter or in an activated sludge system nitrification is rate limiting and thus necessitates longer detention time. The combined carbon oxidation-nitrification processes generally have low population of nitrifiers due to a high ratio of BOD to total nitrogen in the effluent. This necessitates, separate carbon and nitrogen oxidation processes, which thus minimizes wash out ofthe nitrifiers. Therefore, a separate stage nitrification has become essential to achieve faster and efficient removal of ammonia from the wastewater. The present work deals with the development of bio reactor for nitrifying of sewage as the tertiary process so that the treated wastewater can be used for irrigation, algal culture or fish culture

Optimization of medium for the production of a novel aquaculture probiotic, Micrococcus MCCB 104 using central composite design

A marine isolate of jáÅêçÅçÅÅìë MCCB 104 has been identified as an aquaculture probiotic antagonistic to sáÄêáç. In the present study different carbon and nitrogen sources and growth factors in a mineral base medium were optimized for enhanced biomass production and antagonistic activity against the target pathogen, sáÄêáç=Ü~êîÉóá, following response surface methodology (RSM). Accordingly the minimum and maximum limits of the selected variables were determined and a set of fifty experiments programmed employing central composite design (CCD) of RSM for the final optimization. The response surface plots of biomass showed similar pattern with that of antagonistic activity, which indicated a strong correlation between the biomass and antagonism. The optimum concentration of the carbon sources, nitrogen sources, and growth factors for both biomass and antagonistic activity were glucose (17.4 g/L), lactose (17 g/L), sodium chloride (16.9 g/L), ammonium chloride (3.3 g/L), and mineral salts solution (18.3 mL/L). © KSBB

A facile strategy for the synthesis of highly substituted imidazole using tetrabutyl ammoniumbromide as catalyst

A simple and facile strategy for the synthesis of highly substituted imidazoles has been developed by multi-component condensation of 1,2-diketone, aldehyde, amine, and ammonium acetate in presence of tetrabutyl ammonium bromide as catalyst

An Efficient Multi-component Synthesis of 6-Amino-3-methyl-4-Aryl-2,4- dihydropyrano[2,3-c]Pyrazole-5-carbonitriles

Multi-component reactions are effective in building complex molecules in a single step in a minimum amount of time and with facile isolation procedures; they have high economy1–7 and thus have become a powerful synthetic strategy in recent years.8–10 The multicomponent protocols are even more attractive when carried out in aqueous medium. Water offers several benefits, including control over exothermicity, and the isolation of products can be carried out by single phase separation technique. Pyranopyrazoles are a biologically important class of heterocyclic compounds and in particular dihydropyrano[2,3-c]pyrazoles play an essential role in promoting biological activity and represent an interesting template in medicinal chemistry. Heterocyclic compounds bearing the 4-H pyran unit have received much attention in recent years as they constitute important precursors for promising drugs.11–13 Pyrano[2,3-c]pyrazoles exhibit analgesic,14 anti-cancer,15 anti-microbial and anti-inflammatory16 activity. Furthermore dihydropyrano[2,3-c]pyrazoles show molluscidal activity17,18 and are used in a screening kit for Chk 1 kinase inhibitor activity.19,20 They also find applications as pharmaceutical ingredients and bio-degradable agrochemicals.21–29 Junek and Aigner30 first reported the synthesis of pyrano[2,3-c]pyrazole derivatives from 3-methyl-1-phenylpyrazolin-5-one and tetracyanoethylene in the presence of triethylamine. Subsequently, a number of synthetic approaches such as the use of triethylamine,31 piperazine,32 piperidine,33 N-methylmorpholine in ethanol,34 microwave irradiation,35,36 solvent-free conditions,37–39 cyclodextrins (CDs),40 different bases in water,41 γ -alumina,42 and l-proline43 have been reported for the synthesis of 6-amino-4-alkyl/aryl-3-methyl- 2,4-dihydropyrano[2,3-c]pyrazole-5-carbonitriles. Recently, tetraethylammonium bromide (TEABr) has emerged as mild, water-tolerant, eco-friendly and inexpensive catalyst. To the best of our knowledge, quaternary ammonium salts, more specifically TEABr, have notbeen used as catalysts for the synthesis of pyrano[2,3-c]pyrazoles, and we decided to investigate the application of TEABr as a catalyst for the synthesis of a series of pyrazole-fused pyran derivatives via multi-component reactions

Banana waste as substrate for a-amylase production by Bacillus subtilis (CBTK 106) under solid-state fermentation

Bacillus subtilis CBTK 106, isolated from banana wastes, produced high titres of a-amylase when banana fruit stalk was used as substrate in a solid-state fermentation system. The e¤ects of initial moisture content, particle size, cooking time and temperature, pH, incubation temperature, additional nutrients, inoculum size and incubation period on the production of a- amylase were characterised. A maximum yield of 5 345 000 U mg~1 min~1 was recorded when pretreated banana fruit stalk (autoclaved at 121 ¡C for 60 min) was used as substrate with 70% initial moisture content, 400 lm particle size, an initial pH of 7.0, a temperature of 35 ¡C, and additional nutrients (ammonium sulphate/sodium nitrate at 1.0%, beef extract/peptone at 0.5%, glucose/sucrose/starch/maltose at 0.1% and potassium chloride/sodium chloride at 1.0%) in the medium, with an inoculum-to-substrate ratio of 10% (v/w) for 24 h. The enzyme yield was 2.65-fold higher with banana fruit stalk medium compared to wheat bran

Production, purification and partial characterization of a novel protease from marine Engyodontium album BTMFS10 under solid state fermentation

Engyodontium album isolated from marine sediment produced protease, which was active at pH 11. Process parameters influencing the production of alkaline protease by marine E. album was optimized. Particle size of <425 mm, 60% initial moisture content and incubation at 25 8C for 120 h were optimal for protease production under solid state fermentation (SSF) using wheat bran. The organism has two optimal pH (5 and 10) for maximal enzyme production. Sucrose as carbon source, ammonium hydrogen carbonate as additional inorganic nitrogen source and amino acid leucine enhanced enzyme production during SSF. The protease was purified and partially characterized. A 16-fold purified enzyme was obtained after ammonium sulphate precipitation and ion-exchange chromatography. Molecular weight of the purified enzyme protein was recorded approximately 38 kDa by SDS-PAGE. The enzyme showed maximum activity at pH 11 and 60 8C. Activity at high temperature and high alkaline pH suggests suitability of the enzyme for its application in detergent industry

Protease inhibitor from Moringa oleifera with potential for use as therapeutic drug and as seafood preservative

Protease inhibitors are well known to have several applications in medicine and biotechnology. Several plant sources are known to return potential protease inhibitors. In this study plants belonging to different families of Leguminosae, Malvaceae, Rutaceae, Graminae and Moringaceae were screened for the protease inhibitor. Among them Moringa oleifera, belonging to the family Moringaceae, recorded high level of protease inhibitor activity after ammonium sulfate fractionation. M. oleifera, which grows throughout most of the tropics and having several industrial and medicinal uses, was selected as a source of protease inhibitor since so far no reports were made on isolation of the protease inhibitor. Among the different parts of M. oleifera tested, the crude extract isolated from the mature leaves and seeds showed the highest level of inhibition against trypsin. Among the various extraction media evaluated, the crude extract prepared in phosphate buffer showed maximum recovery of the protease inhibitor. The protease inhibitor recorded high inhibitory activity toward the serine proteases thrombin, elastase, chymotrypsin and the cysteine

Detergent compatible alkaline lipase produced by marine Bacillus smithii BTMS 11

Bacillus smithii BTMS 11, isolated from marine sediment, produced alkaline and thermostable lipase. The enzyme was purified to homogeneity by ammonium sulfate precipitation and ion exchange chromatography which resulted in 0.51 % final yield and a 4.33 fold of purification. The purified enzyme was found to have a specific activity of 360 IU/mg protein. SDS-PAGE analyses, under non-reducing and reducing conditions, yielded a single band of 45 kDa indicating the single polypeptide nature of the enzyme and zymogram analysis using methylumbelliferyl butyrate as substrate confirmed the lipolytic activity of the protein band. The enzyme was found to have 50 C and pH 8.0 as optimum conditions for maximal activity. However, the enzyme was active over wide range of temperatures (30–80 C) and pH (7.0–10.0). Effect of a number of metal salts, solvents, surfactants, and other typical enzyme inhibitors on lipase activity was studied to determine the novel characteristics of the enzyme. More than 90 % of the enzyme activity was observed even after 3 h of incubation in the presence of commercial detergents Surf, Sunlight, Ariel, Henko, Tide and Ujala indicating the detergent compatibility of B. smithii lipase. The enzyme was also found to be efficient in stain removal from cotton cloths. Further it was observed that the enzyme could catalyse ester synthesis between fatty acids of varying carbon chain lengths and methanol with high preference for medium to long chain fatty acids showing 70 % of esterification. Results of the study indicated scope for application of this marine bacterial lipase in various industries

Biocompatible polyhydroxybutyrate (PHB) production by marine Vibrio azureus BTKB33 under submerged fermentation

Polyhydroxybutyrate (PHB) is known to have applications as medical implants and drug delivery carriers and is consequently in high demand. In the present study the possibilities of harnessing potential PHB-producing vibrios from marine sediments as a new source of PHB was investigated since marine environments are underexplored. Screening of polyhydroxyalkanoate (PHA)-producing vibrios from marine sediments was performed using a fluorescent plate assay followed by spectrophotometric analysis of liquid cultures. Out of 828 isolates, Vibrio sp. BTKB33 showed maximum PHA production of 0.21 g/L and PHA content of 193.33 mg/g of CDW. The strain was identified as Vibrio azureus based on phenotypic characterization and partial 16S rDNA sequence analysis. The strain also produced several industrial enzymes: amylase, caseinase, lipase, gelatinase, and DNase. The FTIR analysis of extracted PHA and its comparison with standard PHB indicated that the accumulated PHA is PHB. Bioprocess development studies for enhancing PHA production were carried out under submerged fermentation conditions. Optimal submerged fermentation conditions for enhanced intracellular accumulation of PHA production were found to be 35 °C, pH −7, 1.5 % NaCl concentration, agitation at 120 rpm, 12 h of inoculum age, 2.5 % initial inoculum concentration, and 36 h incubation along with supplementation of magnesium sulphate, glucose, and ammonium chloride. The PHA production after optimization was found to be increased to 0.48 g/L and PHA content to426.88 mg/g of CDW, indicating a 2.28-fold increase in production. Results indicated that V. azureus BTKB33 has potential for industrial production of PHB.

Assessment of trophic change and its probable impact on tropical estuarine environment (the Kodungallur-Azhikode estuary, India)

The cumulative effects of global change, including climate change, increased population density and domestic waste disposal, effluent discharges from industrial processes, agriculture and aquaculture will likely continue and increases the process of eutrophication in estuarine environments. Eutrophication is one of the leading causes of degraded water quality, water column hypoxia/anoxia, harmful algal bloom (HAB) and loss of habitat and species diversity in the estuarine environment. The present study attempts to characterize the trophic condition of coastal estuary using a simple tool; trophic index (TRIX) based on a linear combination of the log of four state variables with supplementary index Efficiency Coefficient (Eff. Coeff.) as a discriminating tool. Numerically, the index TRIX is scaled from 0 to10, covering a wide range of trophic conditions from oligotrophic to eutrophic. Study area Kodungallur-Azhikode Estuary (KAE) was comparatively shallow in nature with average depth of 3.6±0.2 m. Dissolve oxygen regime in the water column was ranged from 4.7±1.3 mgL−1 in Station I to 5.9±1.4 mgL−1 in Station IV. The average nitrate-nitrogen (NO3-N) of KAE water was 470 mg m−3; values ranged from Av. 364.4 mg m−3 at Station II to Av. 626.6 mg m−3at Station VII. The mean ammonium-nitrogen (NH4 +-N) varied from 54.1 mg m−3 at Station VII to 101 mg m−3 at Station III. The average Chl-a for the seven stations of KAE was 6.42±3.91 mg m−3. Comparisons over different spatial and temporal scales in the KAE and study observed that, estuary experiencing high productivity by the influence of high degree of eutrophication; an annual average of 6.91 TRIX was noticed in the KAE and seasonal highest was observed during pre monsoon period (7.15) and lowest during post monsoon period (6.51). In the spatial scale station V showed high value 7.37 and comparatively low values in the station VI (6.93) and station VII (6.96) and which indicates eutrophication was predominant in land cover area with comparatively high water residence time. Eff. Coeff. values in the KAE ranges from −2.74 during monsoon period to the lowest of −1.98 in pre monsoon period. Present study revealed that trophic state of the estuary under severe stress and the restriction of autochthonous and allochthonous nutrient loading should be keystone in mitigate from eutrophication process

Studies on nitrifying microorganisms in Cochin Estuary and adjacent coastal waters

This thesis entitled “Studies on Nitrifying Microorganisms in Cochin Estuary and Adjacent Coastal Waters” reports for the first time the spatial andtemporal variations in the abundance and activity of nitrifiers (Ammonia oxidizingbacteria-AOB; Nitrite oxidizing bacteria- NOB and Ammonia oxidizing archaea-AOA) from the Cochin Estuary (CE), a monsoon driven, nutrient rich tropicalestuary along the southwest coast of India. To fulfil the above objectives, field observations were carried out for aperiod of one year (2011) in the CE. Surface (1 m below surface) and near-bottomwater samples were collected from four locations (stations 1 to 3 in estuary and 4 in coastal region), covering pre-monsoon, monsoon and post-monsoon seasons. Station 1 is a low saline station (salinity range 0-10) with high freshwater influx While stations 2 and 3 are intermediately saline stations (salinity ranges 10-25). Station 4 is located ~20 km away from station 3 with least influence of fresh water and is considered as high saline (salinity range 25- 35) station. Ambient physicochemical parameters like temperature, pH, salinity, dissolved oxygen (DO), Ammonium, nitrite, nitrate, phosphate and silicate of surface and bottom waters were measured using standard techniques. Abundance of Eubacteria, total Archaea and ammonia and nitrite oxidizing bacteria (AOB and NOB) were quantified using Fluorescent in situ Hybridization (FISH) with oligonucleotide probes labeled withCy3. Community structure of AOB and AOA was studied using PCR Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) technique. PCR products were cloned and sequenced to determine approximate phylogenetic affiliations. Nitrification rate in the water samples were analyzed using chemical NaClO3 (inhibitor of nitrite oxidation), and ATU (inhibitor of ammonium oxidation). Contribution of AOA and AOB in ammonia oxidation process was measured based on the recovered ammonia oxidation rate. The contribution of AOB and AOA were analyzed after inhibiting the activities of AOB and AOA separately using specific protein inhibitors. To understand the factors influencing or controlling nitrification, various statistical tools were used viz. Karl Pearson’s correlation (to find out the relationship between environmental parameters, bacterial abundance and activity), three-way ANOVA (to find out the significant variation between observations), Canonical Discriminant Analysis (CDA) (for the discrimination of stations based on observations), Multivariate statistics, Principal components analysis (PCA) and Step up multiple regression model (SMRM) (First order interaction effects were applied to determine the significantly contributing biological and environmental parameters to the numerical abundance of nitrifiers). In the CE, nitrification is modulated by the complex interplay between different nitrifiers and environmental variables which in turn is dictated by various hydrodynamic characteristics like fresh water discharge and seawater influx brought in by river water discharge and flushing. AOB in the CE are more adapted to varying environmental conditions compared to AOA though the diversity of AOA is higher than AOB. The abundance and seasonality of AOB and NOB is influenced by the concentration of ammonia in the water column. AOB are the major players in modulating ammonia oxidation process in the water column of CE. The distribution pattern and seasonality of AOB and NOB in the CE suggest that these organisms coexist, and are responsible for modulating the entire nitrification process in the estuary. This process is fuelled by the cross feeding among different nitrifiers, which in turn is dictated by nutrient levels especially ammonia. Though nitrification modulates the increasing anthropogenic ammonia concentration the anthropogenic inputs have to be controlled to prevent eutrophication and associated environmental changes.

Phosphorus placement an acid arenosols of the West African Sahel

Phosphorus (P) deficiency is a major constraint to pearl millet (Pennisetum glaucum L.) growth on acid sandy soils of the West African Sahel. To develop cost-effective fertilization strategies for cash poor farmers, experiments with pearl millet were conducted in southwestern Niger. Treatments comprised single superphosphate hill-placed at rates of 1, 3, 5 or 7 kg P ha^−1 factorially combined with broadcast P at a rate of 13 kg ha^−1. Nitrogen was applied as calcium ammonium nitrate at rates of 30 and 45 kg ha^−1. At low soil moisture, placement of single superphosphate in immediate proximity to the seed reduced seedling emergence. Despite these negative effects on germination, P placement resulted in much faster growth of millet seedlings than did broadcast P. With P application, potassium nutrition of millet was improved and seedling nitrogen uptake increased two- to three-fold, indicating that nitrogen was not limiting early millet growth. Averaged over the 1995 and 1996 cropping seasons, placed applications of 3, 5 and 7 kg P ha^−1 led to 72%, 81% and 88% respectively, of the grain yield produced by broadcasting 13 kg P ha^−1. Nitrogen application did not show major effects on grain yield unless P requirements were met. A simple economic analysis revealed that the profitability of P application, defined as additional income per unit of fertilizer, was highest for P placement at 3 and 5 kg ha^−1.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Effects of tubers of the Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) and potatoes (Solanum tuberosum) on the intestinal microbiota of pigs and evaluation of a procedure for quantification of microbial mass in pig faeces

Die Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt (GIT) spielt eine bedeutende Rolle beim Fermentationsprozess im Bezug auf die Nährstoffversorgung sowie die Gesundheit des Darms und des gesamten Organismus. Inulin und resistente Stärke (RS) konnten als präbiotisch wirksame Substanzen identifiziert werden und sind jeweils auch in den Knollen der Topinamburpflanze (Helianthus tuberosus) und in Kartoffeln (Solanum tuberosum) enthalten. Da sie ebenfalls energiereiche Futtermittel für Schweine sind, war es das Ziel der ersten beiden Studien, die Auswirkungen der Aufnahme von Topinamburknollen und Kartoffeln auf die intestinale Mikrobiota und Parameter des Immunsystems bei Endmastschweinen zu bestimmen. In der dritten Studie wurde die mikrobielle Biomasse quantitativ mit einem Verfahren zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit durch Hochgeschwindigkeits-Zentrifugation erfasst und der bakteriell gebundene Stickstoff (MP-N) mit dem bakteriellen und endogenem Kotstickstoff (BEDN) verglichen. Im ersten Versuch wurden 72 Endmastschweine in einem Freilandhaltungssystem in eine Kontroll- (CT), die mit Kraftfutter entsprechend des Bedarfs der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g täglichem Lebendmassezuwachs versorgt wurde, und eine Versuchsvariante (ET) aufgeteilt. In der Versuchsvariante erhielten die Tiere nur 70% der Kraftfuttermenge der Kontrollvariante, hatten aber Zugang zu einer abgeteilten Fläche, auf der Topinamburknollen angebaut waren. Die freie Aufnahme von Topinamburknollen wurde auf 1•24 kg Trockenmasse (TM)/Tag bestimmt, entsprechend einer Inulinaufnahme von durchschnittlich 800 g/Tag. Während sich die Wachstumsleistung in der Kontrollvariante auf 0•642 ± 0•014 kg/Tag belief, war sie in der Versuchsvariante mit 0•765 ± 0•015 kg/Tag (P=0•000) höher. Die freie Verfügbarkeit von Inulin und Fructo-oligosacchariden (FOS) im GIT der Schweine erhöhte die Keimzahlen der anaeroben Bakterien (P=0•000), Laktobazillen (P=0•046) und Hefen (P=0•000) signifikant und verringerte das Vorkommen von Clostridium perfringens im Schweinekot erheblich von lg 5•24 ± 0•17 kolonie-bildende Einheiten pro g Frischmasse (KbE/ g FM) in der Kontrollvariante auf lg 0•96 ± 0•20 KbE/ g FM in der Versuchsvariante (P=0•000). C-reaktives Protein (CRP) und Antikörper gegen Lipopolysaccharide (LPS) von Escherichia coli J5 ließen keine Unterschiede zwischen den Fütterungsvarianten erkennen. In der zweiten Untersuchung wurden 58 Endmastschweine einer Kontrollvariante (CT), die bedarfsgerecht mit einer Kraftfuttermischung für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen gefüttert wurde, und zwei Versuchsvarianten zugeteilt. Die Versuchsvarianten erhielten eine Menge von 1•2 kg TM gedämpften Kartoffeln (potato treatment, PT) oder gedämpften und einsilierten Kartoffeln (silage treatment, ST) pro Tag und nur 46% bzw. 43% der Menge des Kraftfutters der Kontrollvariante. Die Wachstumsleistung und Schlachtkörperzusammensetzung ließen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten erkennen. Im PT und ST waren gegenüber dem CT im Kot der pH-Wert sowie die Gehalte von TM, Neutral-Detergenz-Faser (NDF), unverdautem Futterstickstoff (UDN) und teilweise von Säure-Detergenz-Faser (ADF) signifikant niedriger (P=0•000) und die von Ammonium (NH4) und Ammoniumstickstoff (NH4-N) signifikant höher (P=0•000). Das hohe Angebot von hitzebehandelten Kartoffeln führte zu einer erheblichen Verringerung von E. coli (P=0•000), C. perfringens (P=0•000) und Immunoglobulin A gegen LPS von E. coli J5 (P=0•001). Darüber hinaus waren in der ersten Versuchsperiode im ST die aeroben und anaeroben Gesamtkeimzahlen sowie die Laktobazillen und Hefen gegenüber dem PT signifikant erhöht. Die Unterschiede in der Mikrobiota zwischen der Kontroll- und Versuchsvarianten weisen auf die positiven Auswirkungen von Topinamburknollen und hitzebehandelten Kartoffeln auf die Mikrobiota im hinteren Darmabschnitt hin. Das Ziel der dritten Untersuchung war die Modifizierung des Verfahrens zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit mittels verschiedener Zentrifugationsschritte, um ein mikrobielles Pellet (MP) zu erhalten, welches die quantitative Abtrennung und Erfassung der Bakterien in Schweinekot ermöglicht. Zusätzlich wurde der BEDN Anteil sowie die Gehalte der Aminozucker Galactosamin, Glucosamin, Mannosamin und Muraminsäure im Kot und im MP bestimmt. Die untersuchten Kotproben stammten von Schweinen eines Phosphor (P) Stoffwechselversuch. Zehn männlich-kastrierte Schweine mit einem durchschnittlichen Lebendgewicht von 51•1 ± 8•5 kg wurden einzeln in Stoffwechselkäfigen gehalten. Die Tiere wurden fünf Fütterungsvarianten zugeteilt, die dem Bedarf der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen entsprachen, in den Rationen 2 bis 5 jedoch eine P-Gehalt unter dem Tagesbedarf der Tiere aufwiesen und in den Rationen 3 bis 5 mit abgestuften Gehalten von 50, 100 sowie 200 mg/kg einer experimentellen Phytase ergänz waren. Die Absenkung des P Gehaltes im Futter verringerte den Asche- (P=0•024) und Trockenmassegehalt im Kot (P=0•017) sowie die P Konzentration im MP (P=0•000) signifikant. Die mikrobielle Biomasse im Kot wurde durch die Wiegung des MP auf durchschnittlich 467 g/kg TM bestimmt. Der Stickstoffgehalt im Kot betrug im Mittel 46•1 g/kg TM und der in die Bakterienmasse eingebaute Stickstoffanteil 27•1 g/kg TM bzw. 58% vom Gesamtstickstoffgehalt im Kot. Die BEDN Fraktion wurde auf 73% am Kotstickstoff bestimmt. Der P-Gehalt im Kot sowie der N Gehalt im MP mit durchschnittlichen 10•4 und 57•9 g/kg TM lagen im Bereich von Literaturangaben. Die P Gehalte im MP schwankten in Abhängigkeit von der Zugabe von Phytase signifikant (P=0•000) von 1•8 bis 4•8 g/kg TM. Die Aminozucker wiesen keine signifikanten unterschiede zwischen Fütterungsvarianten auf und lagen im Bereich von Werten von Rinderkot. Ergebnisse weisen darauf hin, dass die angewandte Methode zur direkten Quantifizierung der mikrobiellen Biomasse geeignet ist.