Inhibition of the sarcoplasmic reticulum Ca2+ pump with thapsigargin to estimate the contribution of Na+-Ca2+ exchange to ventricular myocyte relaxation

Relaxation in the mammalian ventricle is initiated by Ca2+ removal from the cytosol, which is performed by three main transport systems: sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SR-A), Na+-Ca2+ exchanger (NCX) and the so-called slow mechanisms (sarcolemmal Ca2+-ATPase and mitochondrial Ca2+ uptake). To estimate the relative contribution of each system to twitch relaxation, SR Ca2+ accumulation must be selectively inhibited, usually by the application of high caffeine concentrations. However, caffeine has been reported to often cause changes in membrane potential due to NCX-generated inward current, which compromises the reliability of its use. In the present study, we estimated integrated Ca2+ fluxes carried by SR-A, NCX and slow mechanisms during twitch relaxation, and compared the results when using caffeine application (Cf-NT) and an electrically evoked twitch after inhibition of SR-A with thapsigargin (TG-TW). Ca2+ transients were measured in 20 isolated adult rat ventricular myocytes with indo-1. For transients in which one or more transporters were inhibited, Ca2+ fluxes were estimated from the measured free Ca2+ concentration and myocardial Ca2+ buffering characteristics. NCX-mediated integrated Ca2+ flux was significantly higher with TG-TW than with Cf-NT (12 vs 7 µM), whereas SR-dependent flux was lower with TG-TW (77 vs 81 µM). The relative participations of NCX (12.5 vs 8% with TG-TW and Cf-NT, respectively) and SR-A (85 vs 89.5% with TG-TW and Cf-NT, respectively) in total relaxation-associated Ca2+ flux were also significantly different. We thus propose TG-TW as a reliable alternative to estimate NCX contribution to twitch relaxation in this kind of analysis.

Thermodynamic evaluation and modeling of proton and water exchange associated with benzamidine and berenil binding to ß-trypsin

Serine-proteases are involved in vital processes in virtually all species. They are important targets for researchers studying the relationships between protein structure and activity, for the rational design of new pharmaceuticals. Trypsin was used as a model to assess a possible differential contribution of hydration water to the binding of two synthetic inhibitors. Thermodynamic parameters for the association of bovine ß-trypsin (homogeneous material, observed 23,294.4 ± 0.2 Da, theoretical 23,292.5 Da) with the inhibitors benzamidine and berenil at pH 8.0, 25ºC and with 25 mM CaCl2, were determined using isothermal titration calorimetry and the osmotic stress method. The association constant for berenil was about 12 times higher compared to the one for benzamidine (binding constants are K = 596,599 ± 25,057 and 49,513 ± 2,732 M-1, respectively; the number of binding sites is the same for both ligands, N = 0.99 ± 0.05). Apparently the driving force responsible for this large difference of affinity is not due to hydrophobic interactions because the variation in heat capacity (DCp), a characteristic signature of these interactions, was similar in both systems tested (-464.7 ± 23.9 and -477.1 ± 86.8 J K-1 mol-1 for berenil and benzamidine, respectively). The results also indicated that the enzyme has a net gain of about 21 water molecules regardless of the inhibitor tested. It was shown that the difference in affinity could be due to a larger number of interactions between berenil and the enzyme based on computational modeling. The data support the view that pharmaceuticals derived from benzamidine that enable hydrogen bond formation outside the catalytic binding pocket of ß-trypsin may result in more effective inhibitors.

Stability and properties of cellulose-sodium hydroxide solution systems

Since cellulose is a linear macromolecule it can be used as a material for regenerated cellulose fiber products e.g. in textile fibers or film manufacturing. Cellulose is not thermoformable, thus the manufacturing of these regenerated fibers is mainly possible through dissolution processes preceding the regeneration process. However, the dissolution of cellulose in common solvents is hindered due to inter- and intra-molecular hydrogen bonds in the cellulose chains, and relatively high crystallinity. Interestingly at subzero temperatures relatively dilute sodium hydroxide solutions can be used to dissolve cellulose to a certain extent. The objective of this work was to investigate the possible factors that govern the solubility of cellulose in aqueous NaOH and the solution stability. Cellulose-NaOH solutions have the tendency to form a gel over time and at elevated temperature, which creates challenges for further processing. The main target of this work was to achieve high solubility of cellulose in aqueous NaOH without excessively compromising the solution stability. In the literature survey an overview of the cellulose dissolution is given and possible factors contributing to the solubility and solution properties of cellulose in aqueous NaOH are reviewed. Furthermore, the concept of solution rheology is discussed. In the experimental part the focus was on the characterization of the used materials and properties of the prepared solutions mainly concentrating on cellulose solubility and solution stability.

Effect of endogenous hydrogen sulfide inhibition on structural and functional renal disturbances induced by gentamicin

Animal models of gentamicin nephrotoxicity present acute tubular necrosis associated with inflammation, which can contribute to intensify the renal damage. Hydrogen sulfide (H2S) is a signaling molecule involved in inflammation. We evaluated the effect of DL-propargylglycine (PAG), an inhibitor of endogenous H2S formation, on the renal damage induced by gentamicin. Male Wistar rats (N = 8) were injected with 40 mg/kg gentamicin (im) twice a day for 9 days, some of them also received PAG (N = 8, 10 mg·kg-1·day-1, ip). Control rats (N = 6) were treated with saline or PAG only (N = 4). Twenty-four-hour urine samples were collected one day after the end of these treatments, blood samples were collected, the animals were sacrificed, and the kidneys were removed for quantification of H2S formation and histological and immunohistochemical studies. Gentamicin-treated rats presented higher sodium and potassium fractional excretion, increased plasma creatinine [4.06 (3.00; 5.87) mg%] and urea levels, a greater number of macrophages/monocytes, and a higher score for tubular interstitial lesions [3.50 (3.00; 4.00)] in the renal cortex. These changes were associated with increased H2S formation in the kidneys from gentamicin-treated rats (230.60 ± 38.62 µg·mg protein-1·h-1) compared to control (21.12 ± 1.63) and PAG (11.44 ± 3.08). Treatment with PAG reduced this increase (171.60 ± 18.34), the disturbances in plasma creatinine levels [2.20 (1.92; 4.60) mg%], macrophage infiltration, and score for tubular interstitial lesions [2.00 (2.00; 3.00)]. However, PAG did not interfere with the increase in fractional sodium excretion provoked by gentamicin. The protective effect of PAG on gentamicin nephrotoxicity was related, at least in part, to decreased H2S formation.

Hydrogen sulfide in posthemorrhagic shock mesenteric lymph drainage alleviates kidney injury in rats

Posthemorrhagic shock mesenteric lymph (PHSML) is a key factor in multiple organ injury following hemorrhagic shock. We investigated the role of hydrogen sulfide (H2S) in PHSML drainage in alleviating acute kidney injury (AKI) by administering D,L-propargylglycine (PPG) and sodium hydrosulfide hydrate (NaHS) to 12 specific pathogen-free male Wistar rats with PHSML drainage. A hemorrhagic shock model was established in 4 experimental groups: shock, shock+drainage, shock+drainage+PPG (45 mg/kg, 0.5 h prehemorrhage), and shock+drainage+NaHS (28 µmol/kg, 0.5 h prehemorrhage). Fluid resuscitation was performed after 1 h of hypotension, and PHMSL was drained in the last three groups for 3 h after resuscitation. Renal function and histomorphology were assessed along with levels of H2S, cystathionine-γ-lyase (CSE), Toll-like receptor 4 (TLR4), interleukin (IL)-10, IL-12, and tumor necrosis factor (TNF)-α in renal tissue. Hemorrhagic shock induced AKI with increased urea and creatinine levels in plasma and higher H2S, CSE, TLR4, IL-10, IL-12, and TNF-α levels in renal tissue. PHSML drainage significantly reduced urea, creatinine, H2S, CSE, and TNF-α but not TLR4, IL-10, or IL-12. PPG decreased creatinine, H2S, IL-10, and TNF-α levels, but this effect was reversed by NaHS administration. In conclusion, PHSML drainage alleviated AKI following hemorrhagic shock by preventing increases in H2S and H2S-mediated inflammation.

A fast atom bombardment mass spectrometry study of tris (3, 6-dioxaheptyl) amine-alkali metal halide complexes and hydrogen bonded complexes

The objective of this thesis was to demonstrate the potential of fast atom bombardment mass spectrometry (FABMS) as a probe of condensed phase systems and its possible uses for the study of hydrogen bonding. FABMS was used to study three different systems. The first study was aimed at investigating the selectivity of the ligand tris(3,6-dioxaheptyl) amine (tdoha) for the alkali metal cations. FABMS results correlated well with infrared and nmr data. Systems where a crown ether competed with tdoha for a given alkali metal cation were also investigated by fast atom bombardment. The results were found to correlate with the cation affinity of tdoha and the ability of the crown ether to bind the cation. In the second and third studies, H-bonded systems were investigated. The imidazole-electron donor complexes were investigated and FABMS results showed the expected H-bond strength of the respective complexes. The effects of concentration, liquid matrix, water content, deuterium exchange, and pre-ionization of the complex were also investigated. In the third system investigated, the abundance of the diphenyl sulfone-ammonium salt complexes (presumably H-bonded) in the FABMS spectrum were found to correlate with qualitative considerations such as steric hindrance and strength of ion pairs.

Arsenic speciation by ion-exchange chromatography with on- line determination by hydride generation: electronic modification of the D.C. plasma by photon counting

A method using L-cysteine for the determination of arsenous acid (As(III)), arsenic acid (As(V)), monomethylarsonic acid (MMAA), and dimethylarsinic acid (DMAA) by hydride generation was demonstrated. The instrument used was a d.c. plasma atomic emission spectrometer (OCP-AES). Complete recovery was reported for As(III), As(V), and DMAA while 86% recovery was reported for MMAA. Detection limits were determined, as arsenic for the species listed previously, to be 1.2, 0.8, 1.1, and 1.0 ngemL-l, respectively. Precision values, at 50 ngemL-1 arsenic concentration, were f.80/0, 2.50/0, 2.6% and 2.6% relative standard deviation, respectively. The L-cysteine reagent was compared directly with the conventional hydride generation technique which uses a potassium iodide-hydrochloric acid medium. Recoveries using L-cysteine when compared with the conventional method provided the following results: similar recoveries were obtained for As(III), slightly better recoveries were obtained for As(V) and MMAA, and significantly better recoveries for DMAA. In addition, tall and sharp peak shapes were observed for all four species when using L-cysteine. The arsenic speciation method involved separation by ion exchange .. high perfonnance liquid chromatography (HPLC) with on-line hydride generation using the L.. cysteine reagent and measurement byOCP-AES. Total analysis time per sample was 12 min while the time between the start of subsequent runs was approximately 20 min. A binary . gradient elution program, which incorporated the following two eluents: 0.01 and 0.5 mM tri.. sodium citrate both containing 5% methanol (v/v) and both at a pH of approximately 9, was used during the separation by HPLC. Recoveries of the four species which were measured as peak area, and were normalized against As(III), were 880/0, 290/0, and 40% for DMAA, MMAA and As(V), respectively. Resolution factors between adjacent analyte peaks of As(III) and DMAA was 1.1; DMAA and MMAA was 1.3; and MMAA and As(V) was 8.6. During the arsenic speciation study, signals from the d.c. plasma optical system were measured using a new photon-signal integrating device. The_new photon integrator developed and built in this laboratory was based on a previously published design which was further modified to reflect current available hardware. This photon integrator was interfaced to a personal computer through an AID convertor. The .photon integrator has adjustable threshold settings and an adjustable post-gain device.

Comparative electron impact and fast atom bombardment mass spectrometric studies of some HMPA adducts of phenyltin and phenyllead halides and studies of strong hydrogen bonding by FAB-MS

The fragmentation patterns and mass spectra of some phenyl tin and -lead halide adducts with hexamethylphosphoramide are compared by subjecting them t~ electron impact and fast atom bombardment ionization in a mass spectrometer. This comparison is restricted to the metal-containing ions. Ligand-exchange mechanisms of some of the metal-containing species are explored by FAB-MS. Several moisturesensitive organo-metallics and H-bonded systems have been examined by FAB for attempted characterization, but without any success. Scavenging and trapping of water molecules by complex aggregates in solutions of quaternary ammonium fluorides and hydroxides are investigated by FAB to complement previous NMR-studies.

Hydrogen peroxide enhances the expression and function of Giα proteins in aortic vascular smooth muscle cells from Sprague-Dawley rats : role of growth factor receptors transactivation

Nous avons récemment démontré que les espèces réactives oxygénées induisent une augmentation de l’expression des protéines Giα dans les cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) provenant d’aortes de rats spontanément hypertendus (SHR, de l’anglais spontaneously hypertensive rats). La présente étude a pour but d’étudier les effets du peroxyde d’hydrogène (H2O2), un oxydant qui induit le stress oxydatif, sur l’expression de Giα et sur l’activité de l’adénylate cyclase, et d’explorer les voies de signalisation sous-jacentes responsables de cette réponse. Nos résultats montrent que H2O2 induit une augmentation de l’expression des protéines Giα-2 et Giα-3 de manière dose- et temps-dépendante avec une augmentation maximale de 40-50% à 100 µM après 1 heure, sans affecter l’expression de Gsα. L’expression des protéines Giα a été maintenue au niveau normal en presence de AG 1478, AG1295, PD98059 et la wortmannine, des inhibiteurs d’EGF-R (de l’anglais epidermal growth factor receptor), PDGFR-β (de l’anglais platelet-derived growth factor receptor β), de la voie de signalisation ras-ERK1/2 (de l’anglais extracellular regulated kinase1/2), et de la voie de la PI3Kinase-AKT (de l’anglais phosphatidyl inositol-3 kinase), respectivement. En outre, le traitement des CMLV avec H2O2 a induit une augmentation du degré de phosphorylation d’EGF-R, PDGF-R, ERK1/2 et AKT; et cette expression a été maintenue au niveau témoin par leurs inhibiteurs respectifs. Les inhibiteurs d’EGF-R et PDGF-R ont aussi induit une diminution du degré de phosphorylation de ERK1/2, et AKT/PKB. En outre, la transfection des cellules avec le siRNA (de l’anglais, small interfering ribonucleic acid) de EGF-R et PDGFR-β a atténué la surexpression des protéines Giα-2 et Giα-3 induite par le traitement au H2O2. La surexpression des protéines Giα induite par H2O2 a été corrélée avec une augmentation de la fonction de la protéine Giα. L’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par de faibles concentrations de GTPγS après stimulation par la forskoline a augmenté de 20% dans les cellules traitées au H2O2. En outre, le traitement des CMLV au H2O2 a aussi accru l’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par les hormones inhibitrices telles que l’angiotensine II, oxotrémorine et C-ANP4-23. D’autre part, la stimulation de l’adénylate cyclase induite par GTPγS, glucagon, isoprotérénol, forskoline, et le fluorure de sodium (NaF) a été atténuée de façon significative dans les cellules traitées au H2O2. Ces résultats suggèrent que H2O2 induit la surexpression des protéines Giα-2 and Giα-3 via la transactivation des récepteurs des facteurs de croissance EGF-R, PDGFR-β et l’activation des voies de signalisation ras-ERK1/2 et PI3K-AKT Mot-cles: Protéines Giα, peroxyde d’hydrogène, stress oxydant, récepteurs des facteurs de croissance, MAP kinases, adénylate cyclase, hypertension

Development of nitrifying and photosynthetic sulfur bacteria based bioaugmentation systems for the bioremediation of ammonia and hydrogen sulphide in shrimp culture

This thesis entitled Development of nitrifying ans photosynthetic sulfur bacteria based bioaugmentation systems for the bioremediation of ammonia and hydregen sulphide in shrimp culture. the thesis is to propose a sustainable, low cost option for the mitigation of toxic ammonia and hydrogen sulphide in shrimp culture systems. Use of ‘bioaugmentors’ as pond additives is an emerging field in aquaculture. Understanding the role of organisms involved in the ‘bioaugmentor’ will obviously help to optimize conditions for their activity.The thesis describes the use of wood powder immobilization of nitrifying consortia.Shrimp grow out systems are specialized and highly dynamic aquaculture production units which when operated under zero exchange mode require bioremediation of ammonia, nitrite nitrogen and hydrogen sulphide to protect the crop. The research conducted here is to develop an economically viable and user friendly technology for addressing the above problem. The nitrifying bacterial consortia (NBC) generated earlier (Achuthan et al., 2006) were used for developing the technology.Clear demonstration of better quality of immobilized nitrifiers generated in this study for field application.

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.

Influence of sodium chloride on seed germination and seedling root growth of cotton (Gossypium hirsutum L.)

Response of cotton (Gossypium hirsutum L. cv. NIAB-78) to salinity, in terms of seed germination, seedling root growth and root Na+ and K+ content was determined in a laboratory experiment. Cotton seeds were exposed to increasing salinity levels using germination water with Sodium chloride concentrations of 0, 50, 100, 150 and 200 mM, to provide different degrees of salt stress. Germinated seeds were counted and roots were harvested at 24, 48, 72 and 96 h after the start of the experiment. It appeared that seed germination was only slightly affected by an increase in salinity (in most cases the differences between treatment were non-significant), whereas root length, root growth rate, root fresh and dry weights were severely affected, generally highly significant differences in these variables were found for comparisons involving most combinations of salinity levels, in particular with increased incubation period. K+ contents decreased with increasing salinity levels, although differences in K+ content were only significant when comparing the control and the 4 salinity levels. Na+ content of the roots increased with increasing levels of NaCl in the germination water, suggesting an exchange of K+ for Na+. The ratio K+/Na+ strongly decreased with rising levels of salinity from around 4.5 for the control to similar to 1 at 200 mM NaCl.

Molecular aluminum hydrides identified by inelastic neutron scattering during H-2 regeneration of catalyst-doped NaAlH4

Catalyst-doped sodium aluminum hydrides have been intensively studied as solid hydrogen carriers for onboard proton-exchange membrane (PEM) fuel cells. Although the importance of catalyst choice in enhancing kinetics for both hydrogen uptake and release of this hydride material has long been recognized, the nature of the active species and the mechanism of catalytic action are unclear. We have shown by inelastic neutron scattering (INS) spectroscopy that a volatile molecular aluminum hydride is formed during the early stage of H-2 re-eneration of a depleted, catalyst-doped sodium aluminum hydride. Computational modeling of the INS spectra suggested the formation of AlH3 and oligomers (AlH3)(n) (Al2H6, Al3H9, and Al4H12 clusters), which are pertinent to the mechanism of hydrogen storage. This paper demonstrates, for the first time, the existence of these volatile species.

Selective separation of the major whey proteins using ion exchange membranes

Synthetic microporous membranes with functional groups covalently attached were used to selectively separate beta-lactoglobulin, BSA, and alpha-lactalbumin from rennet whey. The selectivity and membrane performance of strong (quaternary ammonium) and weak (diethylamine) ion-exchange membranes were studied using breakthrough curves, measurement of binding capacity, and protein composition of the elution fraction to determine the binding behavior of each membrane. When the weak and strong anion exchange membranes were saturated with whey, they were both selective primarily for beta-lactoglobulin with less than 1% of the eluate consisting of alpha-lactalbumin or BSA. The binding capacity of a pure alpha-lactoglobulin solution was in excess of 1.5 mg/cm(2) of membrane. This binding capacity was reduced to approximately 1.2 mg/cm(2) when using a rennet whey solution (pH 6.4). This reduction in protein binding capacity can be explained by both the competitive effects of other whey proteins and the effect of ions present in whey. Using binary solution breakthrough curves and rennet whey breakthrough curves, it was shown that alpha-lactalbumin and BSA were displaced from the strong and weak anion exchange membranes by beta-lactoglobulin. Finally, the effect of ionic strength on the binding capacity of individual proteins for each membrane was determined by comparing model protein solutions in milk permeate (pH 6.4) and a 10 mM sodium phosphate buffer (pH 6.4). Binding capacities of beta-lactoglobulin, alpha-lactalbumin, and BSA in milk permeate were reduced by as much as 50%. This reduction in capacity coupled with the low binding capacity of current ion exchange membranes are 2 serious considerations for selectively separating complex and concentrated protein solutions.

2-(4,5,6,7-tetrafluorobenzimidazol-2-yl)-4,4,5,5-tetramethyl-4,5-dihydro-1H-imidazole-3-oxide-1-oxyl, a hydrogen-bonded organic quasi-1D ferromagnet

The title radical (F4BlmNN) is a stable nitronylnitroxide that forms hydrogen-bonded NH center dot center dot center dot ON chains in the solid state. The chains assemble the F4BlmNN molecules to form stacked contacts between the radical groups, in a geometry that is expected to exhibit ferromagnetic (FM) exchange based on spin polarization (SP) models. The experimental magnetic susceptibility of F4BlmNN confirms the expectation, showing 1-D Heisenberg chain FM exchange behavior over 1.8-300 K with an intrachain exchange constant Of J(chain)/k = +22 K. At lower temperatures, ac magnetic susceptibility and variable field heat capacity measurements show that F4BlmNN acts as a quasi-1-D ferromagnet. The dominant ferromagnetic exchange interaction is attributable to overlap between spin orbitals of molecules within the hydrogen-bonded chains, consistent with the SP model expectations. The chains appear to be antiferromagnetically exchange coupled, giving cusps in the ac susceptibility and zero field heat capacity at lower temperatures. The results indicate that the sample orders magnetically at about 0.7 K. The magnetic heat capacity ordering cusp shifts to lower temperatures as external magnetic field increases, consistent with forming a bulk antiferromagnetic phase below a Neel temperature of T-N(0) = 0.72 K, with a critical field of H-c approximate to 1800 Oe. The interchain exchange is estimated to be zJ/k congruent to (-)0.1 K.