TY  - THES
A1  - Marcano Romero, Gabriela Helena
T1  - Investigations on sedimentology and early diagenesis in shallow-water warm-temperate to tropical miocene carbonates : a case study from Northern Sardinia, Italy
T1  - Untersuchungen zur Sedimentologie und frühen Diagenese in  warmgemäßigten bis tropischen Flachwasser-Carbonaten des Miozäns : eine Fallstudie aus Nord-Sardinien, Italien
N2  - This study investigated the warm-temperate to tropical shallow-water Miocene carbonates of the Perfugas basin (Anglona area), northern Sardinia, Italy (Central Mediterranean). The aim of this study was to identify and document the existence and significance of early diagenesis in this carbonate system, especially the diagenetic history, which reflects the diagenetic potential in terms of skeletal mineralogy. The motivation behind the present study was to investigate the role that early cementation has over facies stabilization linked to differences in biotic associations in shallow-water settings. Principal to this was to unravel the amount, kind and distribution of early cements in this type of carbonates, in order to complement previous studies, and hence acquire a more global perspective on non-tropical carbonate settings. The shallow-buried Sedini Limestone Unit was investigated for variations on early diagenetic features, as well as for the type of biotic association, and oxygen and carbon stable isotope stratigraphy. Results showed, that particularly at the Perfugas basin (< 15 km2), which evolves in time from a ramp into a steep-flanked platform, shallow-water facies are characterized by a “transitional” type of biotic association. The biotic assemblages change gradually over time from a heterozoan-rich into a photozoan-rich depositional system. This transition implies a change in the depositional environmental control factors such as temperature. It is considered that sedimentation took place under warm-temperate waters, which shifted to more warmer or tropical waters through time. Moreover, it was noticed that along with these changes, marine early syn-depositional cements (high-Mg calcite), with particular fabrics (e.g. fibrous), gradually contributed to the early lithification of rocks, favoring a steepening of the platform relief. The major controls for the shift of the depositional geometry was triggered by the change of the type of biotic associations (carbonate factory), related with the shift towards warmer conditions, and the development of early marine cementation. The identification of the amount and distribution of different cement phases, porosities and early diagenetic features, within facies and stratigraphy, showed that diagenesis is differential along depth, and within the depositional setting. High-Mg calcite cements (micrite, fibrous and syntaxial inclusion-rich) are early syn-depositional, facies-related (shallow-water), predominant at the platform phase, and marine in origin. Low-Mg calcite cements (bladed, syntaxial inclusionpoor and blocky) are early to late post-depositional, non-facies related (shallow- to deep-water) and shallow-burial marine in origin. However, a particular difference exists when looking at the amount and distribution of low-Mg calcite bladed cements. They become richer in shallow-water facies at the platform phase, suggesting that the enrichment of bladed cementation is linked to the appearance of metastable grains (e.g. aragonite). In both depositional profiles, the development of secondary porosity is the product of fabric-selective dissolution of grains (aragonite, high-Mg calcite) and/or cements (syntaxial inclusion-rich). However, stratigraphy and stable isotopes (oxygen and carbon), indicate that the molds found at shallower facies located beneath, and close to stratigraphic boundaries, have been produced by the infiltration of meteoric-derived water, which caused recrystallization without calcite cementation. Away from these stratigraphic locations, shallow- and deep-water facies show molds, and recrystallization, as well as low-Mg calcite cementation, interpreted as occurring during burial of these sediments by marine waters. The main cement source is suggested to be aragonite. Our results indicate that the Sedini Limestone Unit was transformed in three different diagenetic environments (marine, meteoric and shallow-burial marine); however, the degree of transformation in each diagenetic environment differs in the heterozoan-dominated ramp from the photozoan-dominated platform. It is suggested that the sediments from the ramp follow a diagenetic pathway similar to their heterozoan counterparts (i.e. lack of marine cementation, and loss of primary porosity by compaction), and the sediments from the platform follow a diagenetic pathway similar to their photozoan counterparts (i.e. marine cementation occluding primary porosity). However, in this carbonate setting, cements are Mg-calcite, no meteoric cementation was produced, and secondary porosity at shallow-water facies of the platform phase is mostly open and preserved. Despite the temporal and transitional change in biotic associations, ramp and platform facies (shallow- to deep-water facies) showed an oxygen isotope record overprinted by diagenesis. Oxygen primary marine signatures were not found. It is believed that burial diagenesis (recrystallization and low-Mg calcite cementation) was the main reason. This was unexpected at the ramp, since heterozoan-rich carbonates can hold isotope values close to primary marine signals due to their low-Mg calcite original composition. Ramp and platform facies (shallow- to deep-water facies) showed a carbon isotope record that was less affected by diagenesis. However, only at deep-water facies, did the carbon record show positive values comparable with carbon primary marine signals. The positive carbon values were noticed with major frequency at the platform deep-water facies. Moreover, these values usually showed a covariant trend with the oxygen isotope record; even that the latter did not hold positive values. The main conclusion of this work is that carbonates, deposited under warm-temperate to tropical conditions, have a unique facies, diagenesis and chemostratigraphic expression, which is different from their cool-water heterozoan or warm-water photozoan counterparts, reflecting the “transitional” nature of biotic association.
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit den warmen bis tropischen miozänen Flachwasserkarbonaten des Perfugas Beckens (Region Anglona) im nördlichen Sardinien, Italien. Ziel dieser Arbeit war es, die Existenz und Signifikanz der frühen Diagenese in diesem Karbonatsystem zu identifizieren und zu dokumentieren. Die Geschichte der Verfestigung reflektiert dabei das diagenetische Potential, welches von der Mineralogie der Grundgerüste ehemaliger Lebewesen abhängig ist. Die Motivation bestand darin, die frühe Zementation der Karbonate zu beschreiben, da sie eine wesentliche Rolle bei der Faziesstabilisierung spielt wenn diese durch unterschiedliche biotische Verbindungen im Flachwasser aufgebaut wurde. Der Fokus dieser Studie liegt bei der Trennung von Menge, Art und Verteilung der frühen Zemente in Karbonaten. Frühere Arbeiten wurden ergänzt und zusammen gefasst, um eine globale Übersicht bezüglich nicht tropischer karbonatischer Milieus zu erlangen. Die flach abgelagerte Einheit der Sedini Karbonate wurde unter multiplen Gesichtspunkten z.B. früher diagenetischer Strukturen, biotischer Gesellschaften sowie durch Messungen stabiler Isotope an Sauerstoff und Kohlenstoff untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Perfugas Becken (< 15 km2), welches sich von einer Rampe zu einem, von steilen Flanken begrenzten, Plateau entwickelte und sich durch eine Flachwasserfazies auszeichnet, die auf eine “Übergangsart” der biotischen Gemeinschaft hinweist. Diese Gemeinschaft veränderte sich allmählich von einem heterozoischen zu einem photozoischen Ablagerungssystem. Diese Verschiebung impliziert einen Wechsel der Faktoren, wie der Temperatur, die das Ablagerungsmilieu beeinflussen. Es wird angenommen, dass die Sedimentation in warmen Gewässern stattfand, welche sich bis hin zu tropischen Temperaturen kontinuiertlich erwärmten. Es ist bekannt, dass sich parallel zu diesen marinen Veränderungen frühe Mg- reiche kalzitische Zemente bildeten, die ein ausgeprägtes z.T. faseriges Gefüge zeigen. Diese unterstützen die frühe Verfestigung der Kalke und ermöglichen eine Versteilung des Reliefs der Plattform. Die hauptsächlichen Faktoren, die eine Verschiebung der Ablagerungsumgebung hervorriefen, wurden durch die Veränderung der biotischen Gesellschaft und durch die Entwicklung früher Zemente aufgezeichnet, die wiederum mit der Erwärmung des Habitats zusammenhängen. Die Identifizierung der Menge und Verteilung der verschiedenen Zementphasen, der Porosität und der frühen diagenetischen Elemente in Fazies und Stratigraphie zeigen, dass die Verfestigung mit zunehmender Tiefe und innerhalb des Ablagerungsareals variiert. Mg- reiche kalzitische Zemente (mikritisch, faserig, syntaxial einschlussreich) wurden im frühen, marinen Stadium während der Ablagerung gebildet. Mg- arme kalzitische Zemente (blättrig, syntaxial einschlussarm, blockig) entstanden nach der Ablagerung im flachen bis tiefen marinen Wasser z.T. unter überlagernden Einheiten. Ein offensichtlicher Unterschied existiert bei Menge und Verteilung von Mg-armen, blättrigen Zementen. Sie werden in der Flachwasserfazies innerhalb der Plattformphase häufiger, was mit dem Auftreten metastabiler aragonitischer Körner zusammen fällt. In beiden Ablagerungsprofilen ist die Entwicklung der Sekundärporosität das Produkt einer gefügeabhängigen Auflösung der Körner (aragonit, Mg-reiche Kalzite) und/oder der Zemente (syntaxial einschlussreich). Stratigraphie und stabile Isotope (Sauerstoff, Kohlenstoff) zeigen jedoch, dass sich Abdrücke in der Flachwasserfazies finden lassen, die sich zwischen und in der Nähe der stratigraphischen Grenze befinden. Die Abdrücke entstanden durch Infiltration von meteorischen Wässern, was zu Rekristallisation ohne kalzitische Verfestigung führte. Fernab dieser stratigraphischen Lokalitäten, zeigen Flach- und Tiefwasserfazien Abdrücke, Rekristallisationen und Mg-arme kalzitische Zemente die offensichtlich durch Überlagerung dieser Sedimente in marinen Gewässern entstanden sind. Als Hauptzementkomponent wird Aragonit angenommen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Sedini Kalksteineinheit in drei verschiedene diagenetische Umgebungen umstrukturiert wurde (marin, meteorisch, flach überlagert). Der Grad der Umwandlung in den einzelnen diagenetischen Umgebungen unterscheidet sich von der heterozoisch dominierten Rampe zur photozoisch dominierten Plattform. Es wird angenommen, dass die Sedimente der Rampe einem diagenitischen Pfad folgen, der ähnlich des heterozoischen Gegenstücks verläuft (z.B. Fehlen der marinen Zementation, Verlust primärer Porosität durch Kompaktion). Die Plattformsedimente folgen einer diagenetischen Abfole ähnlich ihrer photozoischen Pendants (z.B. marine Zementation welche die primäre Porosität). In diesem Karbonatumfeld sind die Zemente Mg-reich und nicht meteorische verfestigt. Eine sekundäre Porosität der Flachwasserfazien in der Plattformphase ist offen und gut erhalten. Trotz der temporären und vorübergehenden Wechsel in den biotischen Vergesellschaftungen, in den Flachwasserfazien von Rampe und Plattform wie in den Tiefwasserfazien der Rampen, sind Signale in den Sauerstoffisotopen erkennbar, wenn diese auch durch von der Diagenese überdeckt. In diesen Fazien wurden keine primären, marinen Sauerstoffisotopien gefunden. Es wird angenomen, dass die erfolgte überdeckt Diagenese (rekristallisation, Mg-arme kalzitische Zementation) der Hauptgrund dieser fehlenden Isotopensignale darstellen. Dies war an der Rampe unerwartet, da heterozoen-reiche Karbonate primäre, marine Isotopenwerte speichern können, welches aufgrund ihrer Mg-armen Zusammensetzung ermöglicht wird. Das Kohlenstoffisotopensignal der unterscheidlichen Fazien von Rampe und Plattform, zeigten sich weniger von der Diagenese betroffen. Nur in den Tiefwasserfazien zeigte das Kohlenstoffsignal positive Werte, vergleichbar mit primären, marinen Signalen. Die positiven Kohlenstoffwerte wurden an den Plattformtiefenwasserfazien mit größter Häufighkeit registriert. Diese Werte zeigten in der Regel einen kovarianten Trend mit dem Sauerstoffisotopensignal, sogar wenn letzterer keine positiven Werte enthielt. Die Schlussfolgerung aus dieser Arbeit ist, dass Karbonate welche unter warmen bis tropischen Verhältnissen abgelagert wurden, eine einmalige Faziesgenese und chemische Stratigraphie aufweisen. Diese ist unterschiedlich zu ihren heterozoischen Kaltwasser oder ihren photozoischen Gegenstücken aus wärmeren Wässern. Dies wiederum reflektiert gut das “transitionale” Wesen einer biotischen Gesellschaft.
KW  - Diagenese
KW  - Carbonate
KW  - Miozän
KW  - Sardinien
KW  - Sedimentologie
KW  - Diagenesis
KW  - Carbonates
KW  - Miocene
KW  - Sardinia
KW  - Sedimentology
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29207
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A1  - Fürstenau, Cornelia
T1  - The impact of silvicultural strategies and climate change on carbon sequestration and other forest ecosystem functions
T1  - Der Einfluss von Waldbewirtschaftungsstrategien und Klimawandel auf die Kohlenstoffspeicherung und andere Waldfunktionen
N2  - Forests are a key resource serving a multitude of functions such as providing income to forest owners, supplying industries with timber, protecting water resources, and maintaining biodiversity. Recently much attention has been given to the role of forests in the global carbon cycle and their management for increased carbon sequestration as a possible mitigation option against climate change. Furthermore, the use of harvested wood can contribute to the reduction of atmospheric carbon through (i) carbon sequestration in wood products, (ii) the substitution of non-wood products with wood products, and (iii) through the use of wood as a biofuel to replace fossil fuels. Forest resource managers are challenged by the task to balance these multiple while simultaneously meeting economic requirements and taking into consideration the demands of stakeholder groups. Additionally, risks and uncertainties with regard to uncontrollable external variables such as climate have to be considered in the decision making process. In this study a scientific stakeholder dialogue with forest-related stakeholder groups in the Federal State of Brandenburg was accomplished. The main results of this dialogue were the definition of major forest functions (carbon sequestration, groundwater recharge, biodiversity, and timber production) and priority setting among them by the stakeholders using the pair-wise comparison technique. The impact of different forest management strategies and climate change scenarios on the main functions of forest ecosystems were evaluated at the Kleinsee management unit in south-east Brandenburg. Forest management strategies were simulated over 100 years using the forest growth model 4C and a wood product model (WPM). A current climate scenario and two climate change scenarios based on global circulation models (GCMs) HadCM2 and ECHAM4 were applied. The climate change scenario positively influenced stand productivity, carbon sequestration, and income. The impact on the other forest functions was small. Furthermore, the overall utility of forest management strategies were compared under the priority settings of stakeholders by a multi-criteria analysis (MCA) method. Significant differences in priority setting and the choice of an adequate management strategy were found for the environmentalists on one side and the more economy-oriented forest managers of public and private owned forests on the other side. From an ecological perspective, a conservation strategy would be preferable under all climate scenarios, but the business as usual management would also fit the expectations under the current climate. In contrast, a forest manager in public-owned forests or a private forest owner would prefer a management strategy with an intermediate thinning intensity and a high share of pine stands to enhance income from timber production while maintaining the other forest functions. The analysis served as an example for the combined application of simulation tools and a MCA method for the evaluation of management strategies under multi-purpose and multi-user settings with changing climatic conditions. Another focus was set on quantifying the overall effect of forest management on carbon sequestration in the forest sector and the wood industry sector plus substitution effects. To achieve this objective, the carbon emission reduction potential of material and energy substitution (Smat and Sen) was estimated based on a literature review. On average, for each tonne of dry wood used in a wood product substituting a non-wood product, 0.71 fewer tonnes of fossil carbon are emitted into to the atmosphere. Based on Smat and Sen, the calculation of the carbon emission reduction through substitution was implemented in the WPM. Carbon sequestration and substitution effects of management strategies were simulated at three local scales using the WPM and the forest growth models 4C (management unit level) or EFISCEN (federal state of Brandenburg and Germany). An investigation was conducted on the influence of uncertainties in the initialisation of the WPM, Smat, and basic conditions of the wood product sector on carbon sequestration. Results showed that carbon sequestration in the wood industry sector plus substitution effects exceeded sequestration in the forest sector. In contrast to the carbon pools in the forest sector, which acted as sink or source, the substitution effects continually reduced carbon emission as long as forests are managed and timber is harvested. The main climate protection function was investigated for energy substitution which accounted for about half of the total carbon sequestration, followed by carbon storage in landfills. In Germany, the absolute annual carbon sequestration in the forest and wood industry sector plus substitution effects was 19.9 Mt C. Over 50 years the wood industry sector contributed 70% of the total carbon sequestration plus substitution effects.
N2  - Wälder beeinflussen in vielfältiger Weise unser Leben. Für den Waldbesitzer sind sie Einkommensquelle, die Holzindustrie versorgen sie mit dem Rohstoff, aus dem unzählige Dinge für den täglichen Bedarfs hergestellt werden, wie zum Beispiel Baumaterialien, Möbel, Gartengeräte, Spielzeug und Papier. Außerdem versorgen Wälder uns mit sauberem Grundwasser, sind Lebensraum für Pflanzen und Tiere und tragen somit zum Erhalt der Artenvielfalt bei. Nicht zuletzt beeinflussen Wälder das Klimasystem, da sie der Atmosphäre das Treibhausgas CO2 entziehen und Kohlenstoff in Biomasse und Boden speichern. Förster stehen nun vor der anspruchsvollen Aufgabe, eine Balance zwischen den vielfältigen und oft auch gegensätzlichen Waldfunktionen zu finden und die Ansprüche von Interessengruppen wahrzunehmen. Zusätzlich müssen im waldbaulichen Entscheidungsprozess Risiken und Unsicherheiten durch unberechenbare externe Faktoren, wie das Klima, beachtet werden. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss von Klima und Waldbaustrategien auf Waldfunktionen zu untersuchen. Als Testgebiet fungierte das Revier Kleinsee im Südosten Brandenburgs, in dem Kiefern- und Eichenbestände vorherrschen. In einem wissenschaftlichen Dialog mit Angestellten der Forstbehörde, Privatwaldbesitzern, Vertretern von Naturschutzverbänden sowie Wissenschaftlern definierten die Teilnehmer die wichtigsten Waldfunktionen: Kohlenstoffspeicherung, Grundwasserneubildung, Biodiversität und Holzproduktion. Die Simulationen wurden mit Hilfe des Waldwachstumsmodells 4C und einem neu implementierten Holzproduktmodell (WPM) über einen Zeitraum von 100 Jahren durchgeführt. Dabei wurden den heutigen Klimabedingungen zwei Klimaänderungsszenarien gegenübergestellt, die auf den globalen Zirkulationsmodellen HadCM2 und ECHAM4 basieren. Es stellte sich heraus, dass unter den angenommenen Klimaänderungen das Wachstum der Bestände steigt und sich damit die Kohlenstoffspeicherung und der Ertrag aus Holzernten erhöht, wohingegen Biodiversität und Grundwasserneubildung nur sehr gering beeinflusst werden. Der Nutzen der Waldbewirtschaftungsstrategien für drei Interessensgruppen (Forstbehörde, private Waldbesitzer, Naturschutzvereine) wurde mit einer multikriteriellen Analysemethode bewertet. Dabei unterschieden sich die Rangfolge und Gewichtung der einzelnen Waldfunktionen sowie die daraus resultierende Wahl der Waldbaustrategien zwischen den Naturschützern einerseits sowie den stärker ökonomisch orientierten Landeswaldförstern und privaten Waldbesitzern anderseits. Naturschutzvereine bevorzugen das Einstellen der Waldbewirtschaftung, aber auch die aktuelle Waldbaustrategie, mit mäßiger Durchforstungsintensität und einem hohen Anteil an Eichenbeständen entspricht ihren Zielsetzungen. Dagegen lag die Präferenz der Landeswaldförster sowie privaten Waldbesitzer auf einer Walbaustrategie mit einem hohen Anteil an Kiefernbeständen, um den Ertrag unter Beachtung der anderen Waldfunktionen zu steigern. Als Fazit geht aus dieser Teilstudie hervor, dass die Bewertung von Waldbaustrategien hinsichtlich ihrer Eignung für eine multifunktionale Waldbewirtschaftung unter Beachtung von Ansprüchen verschiedener Interessengruppen und ungewissen klimatischen Bedingungen unter Verwendung von 4C und einer multikriteriellen Analysemethode sehr gut möglich ist. Besonderes Augenmerk galt dem Einfluss von Waldbaustrategien auf den Kohlenstoffkreislauf, wobei nicht nur die Kohlenstoffspeicherung im Wald, sondern auch in Holzprodukten, sowie die Verringerung von CO2-Emissionen durch energetische und stoffliche Nutzung von Holz betrachtet wurden. Die potentielle Reduktion von CO2-Emissionen durch das Ersetzen von Erzeugnissen und Energie aus nicht nachwachsenden Rohstoffen durch Holz (Smat und Sen) wurde basierend auf Daten verschiedener Studien geschätzt. Eine Sensitivitätsanalyse untersuchte Unsicherheiten bei der Initialisierung des WPMs und der Berechung von Smat. Verschiedene Szenarien führten zu einem besseren Verständnis dafür, wie sich Änderungen im Energiesektor und Holzproduktsektor auf das Potential, Kohlenstoff zu speichern bzw. CO2-Emissionen zu verringen auswirken. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reduzierung von CO2-Emissionen im Holzproduktsektor durch die Nutzung von Holz als Werkstoff und Brennstoff höher ist als durch die Akkumulation von Kohlenstoff im Wald. Im Gegensatz zu den Kohlenstoffspeichern im Wald, die sowohl Quellen als auch Senken sein können, werden durch die Nutzung von Holz CO2-Emissionen verringert, solange im Zuge der Waldbewirtschaftung Holz für die Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt wird. Simulationen auf Bundesebene ergaben, dass in Deutschland die Forst- und Holzwirtschaft jährlich dazu beitragen die CO2-Emissionen um 19,9 Mt Kohlenstoff zu verringern, wobei 70% auf die Holzindustrie und den Substitutionseffekt entfallen.
KW  - Kohlenstoffspeicherung
KW  - Waldwachstumsmodell 4C
KW  - Holzprodukte
KW  - Klimawandel
KW  - carbon sequestration
KW  - forest growth model 4C
KW  - wood products
KW  - climate change
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27657
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TY  - THES
A1  - Vorogushyn, Sergiy
T1  - Analysis of flood hazard under consideration of dike breaches
T1  - Analyse der Hochwassergefährdung unter Berücksichtigung von Deichbrüchen
N2  - River reaches protected by dikes exhibit high damage potential due to strong value accumulation in the hinterland areas. While providing an efficient protection against low magnitude flood events, dikes may fail under the load of extreme water levels and long flood durations. Hazard and risk assessments for river reaches protected by dikes have not adequately considered the fluvial inundation processes up to now. Particularly, the processes of dike failures and their influence on the hinterland inundation and flood wave propagation lack comprehensive consideration. This study focuses on the development and application of a new modelling system which allows a comprehensive flood hazard assessment along diked river reaches under consideration of dike failures. The proposed Inundation Hazard Assessment Model (IHAM) represents a hybrid probabilistic-deterministic model. It comprises three models interactively coupled at runtime. These are: (1) 1D unsteady hydrodynamic model of river channel and floodplain flow between dikes, (2) probabilistic dike breach model which determines possible dike breach locations, breach widths and breach outflow discharges, and (3) 2D raster-based diffusion wave storage cell model of the hinterland areas behind the dikes. Due to the unsteady nature of the 1D and 2D coupled models, the dependence between hydraulic load at various locations along the reach is explicitly considered. The probabilistic dike breach model describes dike failures due to three failure mechanisms: overtopping, piping and slope instability caused by the seepage flow through the dike core (micro-instability). The 2D storage cell model driven by the breach outflow boundary conditions computes an extended spectrum of flood intensity indicators such as water depth, flow velocity, impulse, inundation duration and rate of water rise. IHAM is embedded in a Monte Carlo simulation in order to account for the natural variability of the flood generation processes reflected in the form of input hydrographs and for the randomness of dike failures given by breach locations, times and widths. The model was developed and tested on a ca. 91 km heavily diked river reach on the German part of the Elbe River between gauges Torgau and Vockerode. The reach is characterised by low slope and fairly flat extended hinterland areas. The scenario calculations for the developed synthetic input hydrographs for the main river and tributary were carried out for floods with return periods of T = 100, 200, 500, 1000 a. Based on the modelling results, probabilistic dike hazard maps could be generated that indicate the failure probability of each discretised dike section for every scenario magnitude. In the disaggregated display mode, the dike hazard maps indicate the failure probabilities for each considered breach mechanism. Besides the binary inundation patterns that indicate the probability of raster cells being inundated, IHAM generates probabilistic flood hazard maps. These maps display spatial patterns of the considered flood intensity indicators and their associated return periods. Finally, scenarios of polder deployment for the extreme floods with T = 200, 500, 1000 were simulated with IHAM. The developed IHAM simulation system represents a new scientific tool for studying fluvial inundation dynamics under extreme conditions incorporating effects of technical flood protection measures. With its major outputs in form of novel probabilistic inundation and dike hazard maps, the IHAM system has a high practical value for decision support in flood management.
N2  - Entlang eingedeichter Flussabschnitte kann das Hinterland ein hohes Schadenspotential, aufgrund der starken Akkumulation der Werte, aufweisen. Obwohl Deiche einen effizienten Schutz gegen kleinere häufiger auftretende Hochwässer bieten, können sie unter der Last hoher Wasserstände sowie langer Anstaudauer versagen. Gefährdungs- und Risikoabschätzungsmethoden für die eingedeichten Flussstrecken haben bisher die fluvialen Überflutungsprozesse nicht hinreichend berücksichtigt. Besonders, die Prozesse der Deichbrüche und deren Einfluss auf Überflutung im Hinterland und Fortschreiten der Hochwasserwelle verlangen eine umfassende Betrachtung. Die vorliegende Studie setzt ihren Fokus auf die Entwicklung und Anwendung eines neuen Modellierungssystems, das eine umfassende Hochwassergefährdungsanalyse entlang eingedeichter Flussstrecken unter Berücksichtigung von Deichbrüchen ermöglicht. Das vorgeschlagene Inundation Hazard Assessment Model (IHAM) stellt ein hybrides probabilistisch-deterministisches Modell dar. Es besteht aus drei laufzeitgekoppelten Modellen: (1) einem 1D instationären hydrodynamisch-numerischen Modell für den Flussschlauch und die Vorländer zwischen den Deichen, (2) einem probabilistischen Deichbruchmodell, welches die möglichen Bruchstellen, Breschenbreiten und Breschenausflüsse berechnet, und (3) einem 2D raster-basierten Überflutungsmodell für das Hinterland, das auf dem Speiherzellenansatz und der Diffusionswellengleichung basiert ist. Das probabilistische Deichbruchmodell beschreibt Deichbrüche, die infolge von drei Bruchmechanismen auftreten: dem Überströmen, dem Piping im Deichuntergrund und dem Versagen der landseitigen Böschung als Folge des Sickerflusses und der Erosion im Deichkörper (Mikro-Instabilität). Das 2D Speicherzellenmodell, angetrieben durch den Breschenausfluss als Randbedingung, berechnet ein erweitertes Spektrum der Hochwasserintensitätsindikatoren wie: Überflutungstiefe, Fliessgeschwindigkeit, Impuls, Überflutungsdauer und Wasseranstiegsrate. IHAM wird im Rahmen einer Monte Carlo Simulation ausgeführt und berücksichtigt die natürliche Variabilität der Hochwasserentstehungsprozesse, die in der Form der Hydrographen und deren Häufigkeit abgebildet wird, und die Zufälligkeit des Deichversagens, gegeben durch die Lokationen der Bruchstellen, der Zeitpunkte der Brüche und der Breschenbreiten. Das Modell wurde entwickelt und getestet an einem ca. 91 km langen Flussabschnitt. Dieser Flussabschnitt ist durchgängig eingedeicht und befindet sich an der deutschen Elbe zwischen den Pegeln Torgau und Vockerode. Die Szenarioberechnungen wurden von synthetischen Hydrographen für den Hauptstrom und Nebenfluss angetrieben, die für Hochwässer mit Wiederkehrintervallen von 100, 200, 500, und 1000 Jahren entwickelt wurden. Basierend auf den Modellierungsergebnissen wurden probabilistische Deichgefährdungskarten generiert. Sie zeigen die Versagenswahrscheinlichkeiten der diskretisierten Deichabschnitte für jede modellierte Hochwassermagnitude. Die Deichgefährdungskarten im disaggregierten Darstellungsmodus zeigen die Bruchwahrscheinlichkeiten für jeden betrachteten Bruchmechanismus. Neben den binären Überflutungsmustern, die die Wahrscheinlichkeit der Überflutung jeder Rasterzelle im Hinterland zeigen, generiert IHAM probabilistische Hochwassergefährdungskarten. Diese Karten stellen räumliche Muster der in Betracht gezogenen Hochwasserintensitätsindikatoren und entsprechende Jährlichkeiten dar. Schließlich, wurden mit IHAM Szenarien mit Aktivierung vom Polder bei extremen Hochwässern mit Jährlichkeiten von 200, 500, 1000 Jahren simuliert. Das entwickelte IHAM Modellierungssystem stellt ein neues wissenschaftliches Werkzeug für die Untersuchung fluvialer Überflutungsdynamik in extremen Hochwassersituationen unter Berücksichtigung des Einflusses technischer Hochwasserschutzmaßnahmen dar. Das IHAM System hat eine hohe praktische Bedeutung für die Entscheidungsunterstützung im Hochwassermanagement aufgrund der neuartigen Deichbruch- und Hochwassergefährdungskarten, die das Hauptprodukt der Simulationen darstellen.
KW  - Hochwasser
KW  - Deichbruch
KW  - Unsicherheitsanalyse
KW  - Gefährdungskarten
KW  - Polder
KW  - Flood
KW  - dike breach
KW  - uncertainty analysis
KW  - hazard maps
KW  - polder
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27646
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TY  - THES
A1  - Wattenbach, Martin
T1  - The hydrological effects of changes in forest area and species composition in the federal state of Brandenburg, Germany
T1  - Die hydrologischen Effekte von Veränderungen der Waldfläche und Artenzusammensetzung im Land Brandenburg, Deutschland
N2  - This thesis aims to quantify the human impact on the natural resource water at the landscape scale. The drivers in the federal state of Brandenburg (Germany), the area under investigation, are land-use changes induced by policy decisions at European and federal state level. The water resources of the federal state are particularly sensitive to changes in land-use due to low precipitation rates in the summer combined with sandy soils and high evapotranspiration rates. Key elements in landscape hydrology are forests because of their unique capacity to transport water from the soil to the atmosphere. Given these circumstances, decisions made at any level of administration that may have effects on the forest sector in the state are critical in relation to the water cycle. It is therefore essential to evaluate any decision that may change forest area and structure in such a sensitive region. Thus, as a first step, it was necessary to develop and implement a model able to simulate possible interactions and feedbacks between forested surfaces and the hydrological cycle at the landscape scale. The result is a model for simulating the hydrological properties of forest stands based on a robust computation of the temporal and spatial LAI (leaf area index) dynamics. The approach allows the simulation of all relevant hydrological processes with a low parameter demand. It includes the interception of precipitation and transpiration of forest stands with and without groundwater in the rooting zone. The model also considers phenology, biomass allocation, as well as mortality and simple management practices. It has been implemented as a module in the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model). This model has been tested in two pre-studies to verify the applicability of its hydrological process description for the hydrological conditions typical for the state. The newly implemented forest module has been tested for Scots Pine (Pinus sylvestris) and in parts for Common Oak (Quercus robur and Q. petraea) in Brandenburg. For Scots Pine the results demonstrate a good simulation of annual biomass increase and LAI in addition to the satisfactory simulation of litter production. A comparison of the simulated and measured data of the May sprout for Scots pine and leaf unfolding for Oak, as well as the evaluation against daily transpiration measurements for Scots Pine, does support the applicability of the approach. The interception of precipitation has also been simulated and compared with weekly observed data for a Scots Pine stand which displays satisfactory results in both the vegetation periods and annual sums. After the development and testing phase, the model is used to analyse the effects of two scenarios. The first scenario is an increase in forest area on abandoned agricultural land that is triggered by a decrease in European agricultural production support. The second one is a shift in species composition from predominant Scots Pine to Common Oak that is based on decisions of the regional forestry authority to support a more natural species composition. The scenario effects are modelled for the federal state of Brandenburg on a 50m grid utilising spatially explicit land-use patterns. The results, for the first scenario, suggest a negative impact of an increase in forest area (9.4% total state area) on the regional water balance, causing an increase in mean long-term annual evapotranspiration of 3.7% at 100% afforestation when compared to no afforestation. The relatively small annual change conceals a much more pronounced seasonal effect of a mean long-term evapotranspiration increase by 25.1% in the spring causing a pronounced reduction in groundwater recharge and runoff. The reduction causes a lag effect that aggravates the scarcity of water resources in the summer. In contrast, in the second scenario, a change in species composition in existing forests (29.2% total state area) from predominantly Scots Pine to Common Oak decreases the long-term annual mean evapotranspiration by 3.4%, accompanied by a much weaker, but apparent, seasonal pattern. Both scenarios exhibit a high spatial heterogeneity because of the distinct natural conditions in the different regions of the state. Areas with groundwater levels near the surface are particularly sensitive to changes in forest area and regions with relatively high proportion of forest respond strongly to the change in species composition. In both cases this regional response is masked by a smaller linear mean effect for the total state area. Two critical sources of uncertainty in the model results have been investigated. The first one originates from the model calibration parameters estimated in the pre-study for lowland regions, such as the federal state. The combined effect of the parameters, when changed within their physical meaningful limits, unveils an overestimation of the mean water balance by 1.6%. However, the distribution has a wide spread with 14.7% for the 90th percentile and -9.9% for the 10th percentile. The second source of uncertainty emerges from the parameterisation of the forest module. The analysis exhibits a standard deviation of 0.6 % over a ten year period in the mean of the simulated evapotranspiration as a result of variance in the key forest parameters. The analysis suggests that the combined uncertainty in the model results is dominated by the uncertainties of calibration parameters. Therefore, the effect of the first scenario might be underestimated because the calculated increase in evapotranspiration is too small. This may lead to an overestimation of the water balance towards runoff and groundwater recharge. The opposite can be assumed for the second scenario in which the decrease in evapotranspiration might be overestimated.
N2  - Das übergreifende Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Interaktion zwischen Landnutzungsänderung und dem Landschaftswasserhaushalt zu quantifizieren. Das Untersuchungsgebiet für die Analyse ist das Land Brandenburg. Bedingt durch seine Kombination geringer Sommerniederschläge mit der Dominanz sandiger Böden und hoher Verdunstungsraten, insbesondere von den großflächigen Wäldern und Forsten, ist es besonders empfindlich gegenüber Landnutzungsänderung. Waldflächen sind Schlüsselelemente im Landschaftswasserhaushalt, da sie den Bodenwasserspeicher effizienter mit der Atmosphäre koppeln als die meisten anderen Vegetationsformen. Im ersten Teil der Arbeit war es daher notwendig, ein geeignetes Modellkonzept zu finden. Der Ansatz sollte in der Lage sein, die hydrologischen Effekte auf Landschaftsebene zu modellieren, ohne dabei die Datenverfügbarkeit in diesem Anwendungsbereich zu überschreiten. Das entwickelte Modellkonzept wurde in das ökohydrologische Einzugsgebietsmodell SWIM (Soil Water Integrated Model) integriert. Nach einer Test- und Entwicklungsphase konnte das Modell für die integrierte Analyse der Wirkung von zwei Szenarien auf den Landeswasserhaushalt verwendet werden. Das erste Szenario beschäftigt sich mit der möglichen Zunahme der Waldfläche als Folge der Neuausrichtung der Agrarsubventionspolitik der Europäischen Union. Die Waldflächenzunahme führt zu einer Steigerung der Evapotranspiration im langjährigen Mittel. Das zweite Szenario behandelt die Auswirkung des Brandenburger Waldumbauprogramms und hat eine vergleichsweise geringe Abnahme der langjährigen mittleren Verdunstung zur Folge. Der lineare mittlere Verlauf überdeckt ein ausgeprägtes räumliches und saisonales Muster der Veränderung. Die Zonen starker Effekte der beider Szenarien überlappen sich nur in einigen Fällen, so ist es möglich, dass die positiven Wirkungen des Waldumbauprogramms in einigen Regionen durch eine mögliche Ausweitung der Waldfläche aufgehoben werden. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass Landnutzungsänderungen, die durch politische oder administrative Entscheidungen ausgelöst werden, Auswirkungen auf elementare Landschaftsfunktionen wie den Wasserhaushalt haben. Es wird deutlich, dass ein integrativer Modellierungsansatz, der die wahrscheinlichen Wirkungen administrativer Entscheidungen in Betracht zieht, Grundlagen für eine nachhaltige Entwicklung liefern kann. Diese Ergebnisse werden umso relevanter, je stärker die betroffene Ressource bereits eingeschränkt ist. In Bezug auf die Wasserressourcen im Land Brandenburg ist das der Fall und aktuelle Studien zum Globalen Wandel in der Region prognostizieren eine Verschärfung dieser Situation.
KW  - Pinus sylvestris
KW  - Quercus
KW  - SWIM
KW  - Grundwasser
KW  - Globaler Wandel
KW  - global change
KW  - CAP
KW  - water balance
KW  - ground water
KW  - forestry
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27394
ER  - 
TY  - THES
A1  - Riewe, David
T1  - The relevance of adenylate levels and adenylate converting enzymes on metabolism and development of potato (Solanum tuberosum L.) tubers
T1  - Einfluss der Adenylate und Adenylat-umsetzender Enzyme auf Entwicklung und Stoffwechsel der Kartoffelknolle (Solanum Tuberosum L.)
N2  - Adenylates are metabolites with essential function in metabolism and signaling in all living organisms. As Cofactors, they enable thermodynamically unfavorable reactions to be catalyzed enzymatically within cells. Outside the cell, adenylates are involved in signalling processes in animals and emerging evidence suggests similar signaling mechanisms in the plants’ apoplast. Presumably, apoplastic apyrases are involved in this signaling by hydrolyzing the signal mediating molecules ATP and ADP to AMP. This PhD thesis focused on the role of adenylates on metabolism and development of potato (Solanum tuberosum) by using reverse genetics and biochemical approaches. To study the short and long term effect of cellular ATP and the adenylate energy charge on potato tuber metabolism, an apyrase from Escherichia coli targeted into the amyloplast was expressed inducibly and constitutively. Both approaches led to the identification of adaptations to reduced ATP/energy charge levels on the molecular and developmental level. These comprised a reduction of metabolites and pathway fluxes that require significant amounts of ATP, like amino acid or starch synthesis, and an activation of processes that produce ATP, like respiration and an immense increase in the surface-to-volume ratio. To identify extracellular enzymes involved in adenylate conversion, green fluorescent protein and activity localization studies in potato tissue were carried out. It was found that extracellular ATP is imported into the cell by an apoplastic enzyme complement consisting of apyrase, unspecific phosphatase, adenosine nucleosidase and an adenine transport system. By changing the expression of a potato specific apyrase via transgenic approaches, it was found that this enzyme has strong impact on plant and particular tuber development in potato. Whereas metabolite levels were hardly altered, transcript profiling of tubers with reduced apyrase activity revealed a significant upregulation of genes coding for extensins, which are associated with polar growth. The results are discussed in context of adaptive responses of plants to changes in the adenylate levels and the proposed role of apyrase in apoplastic purinergic signaling and ATP salvaging. In summary, this thesis provides insight into adenylate regulated processes within and outside non-photosynthetic plant cells.
N2  - Adenylate haben essentielle Funktionen in Stoffwechselprozessen und fungieren als Signalmoleküle in allen Organismen. Als Cofaktoren ermöglichen sie die Katalyse thermodynamisch ungünstiger Reaktionen innerhalb der Zelle, und außerhalb der Zelle wirken sie als Signalmoleküle in Tieren und nach neueren Forschungsergebnissen wohl auch in Pflanzen. Vermutlich wird die Signalwirkung von ATP und ADP durch Hydrolyse zu AMP unter Beteiligung apoplastische Apyrasen terminiert. Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Adenylate auf Stoffwechsel- und Entwicklungsprozesse in der Kartoffelpflanze (Solanum tuberosum) mittels biochemischer und revers-genetischer Ansätze. Um kurzfristige und langfristige Einflüsse zellulären ATPs und der Energieladung auf den Stoffwechsel von Kartoffelknollen zu untersuchen, wurde eine mit einem plastidären Transitpeptid fusionierte Apyrase aus Escherichia coli induzierbar und dauerhaft exprimiert. Beide Ansätze führten zur Identifizierung von Anpassungen an eine reduzierte ATP Verfügbarkeit bzw. verringerte Energieladung. Die Anpassungen beinhalteten eine Reduzierung von ATP-verbrauchenden Stoffwechselaktivitäten und Stoffwechselprodukten, wie die Aminosäure- oder Stärkesynthese, und eine Aktivierung von Prozessen, welche die ATP-Bildung oder eine effizientere ATP-Bildung ermöglichen, wie Zellatmung und die Vergrößerung des Oberfächen/Volumen-Verhältnisses der Kartoffelknolle. Extrazelluläre Adenylat-umsetzende Enzyme wurden mit Hilfe des grün fluoreszierenden Proteins und Aktivitätsmessungen identifiziert und charakterisiert. Es wurde ein potentieller ATP Bergungsstoffwechselweg gefunden, der ATP über die Enzyme Apyrase, unspezifische Phosphatase und Adenosin-Nukleosidase zu Adenin umsetzt, welches über eine Purin-Permease in die Zelle transportiert wird. Transgene Manipulation der Aktivität der kartoffelspezifischen Apyrase zeigte, dass dieses Enzym einen großen Einfluss auf die Pflanzen-, insbesondere die Knollenentwicklung hat. Obwohl sich Stoffwechselaktivitäten kaum verändert hatten, führte die Verringerung der Apyrase Aktivität in den Knollen zur übermäßigen Expression von Extensin-Genen, die eine Funktion im polaren Wachstum von Pflanzenzellen besitzen. Die Ergebnisse wurden mit Hinblick auf Anpassungen der Pflanze an veränderte Adenylat-Spiegel und der potentiellen Beteiligung der endogenen Apyrase an einem apoplastischen ATP-Signalweg bzw. ATP-Bergungsstoffwechselweg diskutiert. Zusammengefasst, präsentiert diese Arbeit neue Einsichten in Adenylat-regulierte Prozesse in- und außerhalb nicht-photosynthetischer Pflanzenzellen.
KW  - Apyrase
KW  - ATP
KW  - Kartoffel
KW  - Stoffwechsel
KW  - Nukleosidase
KW  - apyrase
KW  - ATP
KW  - potato
KW  - metabolism
KW  - nucleosidase
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27323
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wasiolka, Bernd
T1  - The impact of overgrazing on reptile diversity and population dynamics of Pedioplanis l. lineoocellata in the southern Kalahari
T1  - Der Einfluss von Überweidung auf Reptiliendiversität und die Poplationsdynamik von Pedioplanis l. lineoocellata in der südlichen Kalahari
N2  - Die Vegetationskomposition und –struktur, beispielsweise die unterschiedliche Architektur von Bäumen, Sträuchern, Gräsern und Kräutern, bietet ein großes Spektrum an Habitaten und Nischen, die wiederum eine hohe Tierdiversität in den Savannensystemen des südlichen Afrikas ermöglichen. Dieses Ökosystem wurde jedoch über Jahrzehnte weltweit durch intensive anthropogene Landnutzung (z.B. Viehwirtschaft) nachhaltig verändert. Dabei wurden die Zusammensetzung, Diversität und Struktur der Vegetation stark verändert. Überweidung in Savannensystemen führt zu einer Degradation des Habitates einhergehend mit dem Verlust von perennierenden Gräsern und krautiger Vegetation. Dies führt zu einem Anstieg an vegetationsfreien Bodenflächen. Beides, sowohl der Verlust an perennierenden Gräsern und krautiger Vegetation sowie der Anstieg an vegetationsfreien Flächen führt zu verbesserten Etablierungsbedingungen für Sträucher (z.B. Rhigozum trichotomum, Acacia mellifera) und auf lange Sicht zu stark verbuschten Flächen. Die Tierdiversität in Savannen ist hiervon entscheidend beeinflusst. Mit sinkender struktureller Diversität verringert sich auch die Tierdiversität. Während der Einfluss von Überweidung auf die Vegetation relativ gut untersucht ist sind Informationen über den Einfluss von Überweidung auf die Tierdiversität, speziell für Reptilien, eher spärlich vorhanden. Zusätzlich ist sehr wenig bekannt zum Einfluss auf die Populationsdynamik (z.B. Verhaltensanpassungen, Raumnutzung, Überlebensrate, Sterberate) einzelner Reptilienarten. Ziel meiner Doktorarbeit ist es den Einfluss von Überweidung durch kommerzielle Farmnutzung auf die Reptiliengemeinschaft und auf verschiedene Aspekte der Populationsdynamik der Echse Pedioplanis lineoocellata lineoocellata zu untersuchen. Hinsichtlich bestimmter Naturschutzmaßnahmen ist es einerseits wichtig zu verstehen welchen Auswirkungen Überweidung auf die gesamte Reptiliengemeinschaft hat. Und zum anderen wie entscheidende Faktoren der Populationsdynamik beeinflusst werden. Beides führt zu einem besseren Verständnis der Reaktion von Reptilien auf Habitatdegradation zu erlangen. Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit zeigen eindeutig einen negativen Einfluss der Überweidung und der daraus resultierende Habitatdegradation auf (1) die gesamte Reptiliengemeinschaft und (2) auf einzelne Aspekte der Populationsdynamik von P. lineoocellata. Im Teil 1 wird die signifikante Reduzierung der Reptiliendiversität und Abundanz in degradierten Habitaten beschrieben. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass P. lineoocellata das Verhalten an die verschlechterten Lebensbedingungen anpassen kann. Die Art bewegt sich sowohl häufiger als auch über einen längeren Zeitraum und legt dabei größere Distanzen zurück. Zusätzlich vergrößerte die Art ihr Revier (home range) (Teil 3). Im abschließenden Teil wird der negative Einfluss von Überweidung auf die Populationsdynamik von P. lineoocellata beschrieben: In degradierten Habitaten nimmt die Populationsgröße von adulten und juvenilen Echsen ab, die Überlebens- und Geburtenrate sinken, währen zusätzlich das Prädationsrisiko ansteigt. Verantwortlich hierfür ist zum einen die ebenfalls reduzierte Nahrungsverfügbarkeit (Arthropoden) auf degradierten Flächen. Dies hat zur Folge, dass die Populationsgröße abnimmt und die Fitness der Individuen verringert wird, welches sich durch eine Reduzierung der Überlebens- und Geburtenrate bemerkbar macht. Und zum anderen ist es die Reduzierung der Vegetationsbedeckung und der Rückgang an perennierenden Gräsern welche sich negativ auswirken. Als Konsequenz hiervon gehen Nischen und Mikrohabitate verloren und die Möglichkeiten der Reptilien zur Thermoregulation sind verringert. Des Weiteren hat dieser Verlust an perennierender Grasbedeckung auch ein erhöhtes Prädationsrisikos zur Folge. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nicht nur Bäume und Sträucher, wie in anderen Studien gezeigt, eine bedeutende Rolle für die Diversität spielen, sondern auch das perennierende Gras eine wichtige Rolle für die Faunendiversität spielt. Weiterhin zeigte sich, dass Habitatdegradation nicht nur die Population als gesamtes beeinflusst, sondern auch das Verhalten und Populationsparameter einzelner Arten. Des Weiteren ist es Reptilien möglich durch Verhaltensflexibilität auf verschlechterte Umweltbedingen zu reagieren.
N2  - In semi-arid savannah ecosystems, the vegetation structure and composition, i.e. the architecture of trees, shrubs, grass tussocks and herbaceous plants, offer a great variety of habitats and niches to sustain animal diversity. In the last decades intensive human land use practises like livestock farming have altered the vegetation in savannah ecosystems worldwide. Extensive grazing leads to a reduction of the perennial and herbaceous vegetation cover, which results in an increased availability of bare soil. Both, the missing competition with perennial grasses and the increase of bare soils favour shrub on open ground and lead to area-wide shrub encroachment. As a consequence of the altered vegetation structure and composition, the structural diversity declines. It has been shown that with decreasing structural diversity animal diversity decline across a variety of taxa. Knowledge on the effects of overgrazing on reptiles, which are an important part of the ecosystem, are missing. Furthermore, the impact of habitat degradation on factors of a species population dynamic and life history, e.g., birth rate, survival rate, predation risk, space requirements or behavioural adaptations are poorly known. Therefore, I investigated the impact of overgrazing on the reptile community in the southern Kalahari. Secondly I analysed population dynamics and the behaviour of the Spotted Sand Lizard, Pedioplanis l. lineoocellata. All four chapters clearly demonstrate that habitat degradation caused by overgrazing had a severe negative impact upon (i) the reptile community as a whole and (ii) on population parameters of Pedioplanis l. lineoocellata. Chapter one showed a significant decline of regional reptile diversity and abundance in degraded habitats. In chapter two I demonstrated that P. lineoocellata moves more frequently, spends more time moving and covers larger distances in degraded than in non-degraded habitats. In addition, home range size of the lizard species increases in degraded habitats as shown by chapter three. Finally, chapter four showed the negative impacts of overgrazing on several population parameters of P. lineoocellata. Absolute population size of adult and juvenile lizards, survival rate and birth rate are significantly lower in degraded habitats. Furthermore, the predation risk was greatly increased in degraded habitats. A combination of a variety of aspects can explain the negative impact of habitat degradation on reptiles. First, reduced prey availability negatively affects survival rate, the birth rate and overall abundance. Second, the loss of perennial plant cover leads to a loss of niches and to a reduction of opportunities to thermoregulate. Furthermore, a loss of cover and is associated with increased predation risk. A major finding of my thesis is that the lizard P. lineoocellata can alter its foraging strategy. Species that are able to adapt and change behaviour, such as P. lineoocellata can effectively buffer against changes in their environment. Furthermore, perennial grass cover can be seen as a crucial ecological component of the vegetation in the semi-arid savannah system of the southern Kalahari. If perennial grass cover is reduced to a certain degree reptile diversity will decline and most other aspects of reptile life history will be negatively influenced. Savannah systems are characterised by a mixture of trees, shrubs and perennial grasses. These three vegetation components determine the composition and structure of the vegetation and accordingly influence the faunal diversity. Trees are viewed as keystone structures and focal points of animal activity for a variety of species. Trees supply animals with shelter, shade and food and act as safe sites, nesting sites, observation posts and foraging sites. Recent research demonstrates a positive influence of shrub patches on animal diversity. Moreover, it would seem that intermediate shrub cover can also sustain viable populations in savannah landscapes as has been demonstrated for small carnivores and rodent species. The influence of perennial grasses on faunal diversity did not receive the same attention as the influence of trees and shrubs. In my thesis I didn’t explicitly measure the direct effects of perennial grasses but my results strongly imply that it has an important role. If the perennial grass cover is significantly depleted my results suggest it will negatively influence reptile diversity and abundance and on several populations parameters of P. lineoocellata. Perennial grass cover is associated with the highest prey abundance, reptile diversity and reptile abundance. It provides reptiles both a refuge from predators and opportunities to optimise thermoregulation. The relevance of each of the three vegetation structural elements is different for each taxa and species. In conclusion, I can all three major vegetation structures in the savannah system are important for faunal diversity.
KW  - Shrub encroachment
KW  - overgrazing
KW  - biodiversity
KW  - reptiles
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16611
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frankovitch, Christine Marie
T1  - Optical methods for monitoring biological parameters of phototropic microorganisms during cultivation
T1  - Optische Verfahren zur Beobachtung biologischer Parameter während der Kultivierung phototropischer Mikroorganismen
N2  - Phototropic microalgae have a large potential for producing valuable substances for the feed, food, cosmetics, pigment, bioremediation, and pharmacy industries as well as for biotechnological processes. Today it is estimated that the microalgal aquaculture worldwide production is 5000 tons of dry matter per year (not taking into account processed products) making it an approximately $1.25 billion U.S. per year industry. In this work, several spectroscopic techniques were utilized for the investigation of microalgae cells. Specifically, photondensity wave spectroscopy was applied as a technique for the on-line observation of the culture. For effective evaluation of the photosynthetic growth processes, fast and non-invasive sensor systems that analyze the relevant biological and technical process parameters are preferred. Traditionally, the biomass in a photobioreactor is quantified with the help of turbidimetry measurements, which require extensive calibration. Another problem frequently encountered when using spectral analysis for investigating solutions is that samples of interest are often undiluted and highly scattering and do not adhere to Beer-Lambert's law. Due to the fluorescence properties of chlorophyll, fluorescence spectroscopy techniques including fluorescence lifetime imaging and single photon counting could be applied to provide images of the cells as well as determine the effects of excitation intensity on the fluorescence lifetime, which is an indicator of the condition of the cell. A photon density wave is a sinusoidally intensity-modulated optical wave stemming from a point-source of light, which propagates through diffuse medium and exhibits amplitude and phase variations. Light propagation though strongly scattering media can be described by the P1 approximation to the Boltzmann transport equation. Photon density wave spectroscopy enables the ability to differentiate between scattered and absorbed light, which is desired so that an independent determination of the reduced scattering and absorption coefficients can be made. The absorption coefficient is related to the pigment content in the cells, and the reduced scattering coefficient can be used to characterize physical and morphological properties of the medium and was here applied for the determination of the average cell size.
N2  - Phototropische Mikroalgen besitzen ein großes Potential für die Herstellung von wertvollen Substanzen sowohl für die Futtermittel-, Lebensmittel-, kosmetische und pharmazeutische Industrie, als auch für die Farbstoffsynthese. Heutzutage werden schätzungsweise 5000 Tonnen Mikroalgen Trockensubstanz pro Jahr mit einem Jahresumsatz von 1,25 Mrd. US-Dollar produziert. In dieser Arbeit wurden diverse spektroskopische Untersuchungsmethoden für die Betrachtung der Zellen verwendet. Die Photonendichtewellenspektroskopie (PDW) fand dabei insbesondere bei der on-line Beobachtung der Zellen Anwendung. Voraussetzungen für die effektive Beobachtung von photosynthetischen Wachstumsprozessen sind schnell und nicht-invasiv arbeitende Sensoren. Normalerweise wird die dabei zu untersuchende Biomasse in einem Photobioreaktor mittels Trübungsmessungen quantifiziert. Dies setzt jedoch eine sehr aufwendige Kalibration voraus. Da diese Proben zusätzlich meist in unverdünnter Form vorliegen, streuen sie stark und folgen daher nicht dem Lambert-Beer'schen Gesetz. Aufgrund der Fluoreszenzeigenschaften des Chlorophylls können fluoreszenzspektroskopische Methoden wie fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) und time correlated single photon counting (TCSPC) angwendet werden. Diese Methoden werden dabei für die visuelle Darstellung der Zellen und für die Messung der Fluoreszenzlebenszeit genutzt. Eine Photondichtewelle ist eine sinusförmig intensitätsmodulierte optische Welle, die sich, ausgehend von einer punktförmigen Lichtquelle, durch das untersuchte Medium ausbreitet, wobei sich Phase und Amplitude der Welle verändern. Die Ausbreitung der Welle wird von der P1-Näherung der Boltzmann-Transport-Gleichung beschrieben. Mittels PDW kann zwischen streuenden und absorbierenden Eigenschaften von trüben Probe unterschieden werden. Dies erlaubt die Absolutbestimmung des Absorptions- und reduzierten Streukoeffizienten, die für die Qualifizierung der Probe, insbesondere der Teilchengrößenbestimmung, herangezogen werden.
KW  - Photonendichtewellen
KW  - Mikroalgen
KW  - Photon density waves
KW  - Microalgae
KW  - On.Line Monitoring
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15403
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ott, Christian David
T1  - Stellar iron core collapse in {3+1} general relativity and the gravitational wave signature of core-collapse supernovae
T1  - Stellarer Eisenkernkollaps in Allgemeiner Relativitätstheorie und die Gravitationswellensignatur von Kern-Kollaps-Supernovae
N2  - I perform and analyse the first ever calculations of rotating stellar iron core collapse in {3+1} general relativity that start out with presupernova models from stellar evolutionary calculations and include a microphysical finite-temperature nuclear equation of state, an approximate scheme for electron capture during collapse and neutrino pressure effects. Based on the results of these calculations, I obtain the to-date most realistic estimates for the gravitational wave signal from collapse, bounce and the early postbounce phase of core collapse supernovae. I supplement my {3+1} GR hydrodynamic simulations with 2D Newtonian neutrino radiation-hydrodynamic supernova calculations focussing on (1) the late postbounce gravitational wave emission owing to convective overturn, anisotropic neutrino emission and protoneutron star pulsations, and (2) on the gravitational wave signature of accretion-induced collapse of white dwarfs to neutron stars.
N2  - Ich präsentiere die ersten Computer-Simulationen des rotierenden Kollapses stellarer Eisenkerne, die in der {3+1}-Zerlegung der Allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden und Vorsupernova-Sternmodelle aus Sternentwicklungsrechnungen, eine heiße nukleare Zustandsgleichung und ein näherungsweises Verfahren zur Beschreibung des Elektroneneinfangs enthalten und Neutrinodruck-Effekte berücksichtigen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Rechnungen erhalte ich die zur Zeit realistischsten Vorhersagen für das Gravitationswellensignal der Kollaps, Abprall, Abkling und frühen Nach-Abprallphase einer Kern-Kollaps-Supernova. Neben den {3+1} Simulationen diskutiere ich newtonsche axisymmetrische Kern-Kollaps-Supernova-Simulationen mit Schwerpunkten auf: (1) der Gravitationswellenabstrahlung in der späten Nach-Abprallphase durch Konvektionsströmungen, anisotropische Neutrinoemission und Proto-Neutronenstern Pulsationen und (2) der Gravitationswellensignatur des Kollapses weißer Zwergsterne zu Neutronensternen, der durch Akkretion eingeleitet wird.
KW  - Gravitationswellen
KW  - Kern-Kollaps-Supernovae
KW  - Allgemeine Relativitätstheorie
KW  - Gravitational Waves
KW  - Core-Collapse Supernovae
KW  - General Relativity
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12986
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hohberger, Horst
T1  - Semiclassical asymptotics for the scattering amplitude in the presence of focal points at infinity
T1  - Semiklassische Asymptotik der Streuamplitude bei unendlich fernen Fokalpunkten
N2  - We consider scattering in $\R^n$, $n\ge 2$, described by the Schr\"odinger operator $P(h)=-h^2\Delta+V$, where $V$ is a short-range potential. With the aid of Maslov theory, we give a geometrical formula for the semiclassical asymptotics as $h\to 0$ of the scattering amplitude $f(\omega_-,\omega_+;\lambda,h)$ $\omega_+\neq\omega_-$) which remains valid in the presence of focal points at infinity (caustics). Crucial for this analysis are precise estimates on the asymptotics of the classical phase trajectories and the relationship between caustics in euclidean phase space and caustics at infinity.
N2  - Wir betrachten Streuung in $\R^n$, $n\ge 2$, beschrieben durch den Schr\"odinger operator $P(h)=-h^2\Delta+V$, wo $V$ ein kurzreichweitiges Potential ist. Mit Hilfe von Maslov Theorie erhalten wir eine geometrische Formel fuer die semiklassische Asymptotik ($h\to 0$) der Streuamplitude $f(\omega_-,\omega_+;\lambda,h)$ ($\omega_+\neq\omega_-$) welche auch bei Vorhandensein von Fokalpunkten bei Unendlich (Kaustiken) gueltig bleibt.
KW  - Mathematik
KW  - Physik
KW  - Streutheorie
KW  - Streuamplitude
KW  - Semiklassik
KW  - mathematics
KW  - physics
KW  - scattering theory
KW  - semiclassics
KW  - scattering amplitude
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-11574
ER  - 
TY  - THES
A1  - Prevot, Michelle Elizabeth
T1  - Introduction of a thermo-sensitive non-polar species into polyelectrolyte multilayer capsules for drug delivery
T1  - Einbettung unpolarer, temperaturempfindlicher Substanzen in Polyelektrolytkapselsysteme zur Wirkstofffreisetzung
N2  - The layer-by-layer assembly (LBL) of polyelectrolytes has been extensively studied for the preparation of ultrathin films due to the versatility of the build-up process. The control of the permeability of these layers is particularly important as there are potential drug delivery applications. Multilayered polyelectrolyte microcapsules are also of great interest due to their possible use as microcontainers. This work will present two methods that can be used as employable drug delivery systems, both of which can encapsulate an active molecule and tune the release properties of the active species.  Poly-(N-isopropyl acrylamide), (PNIPAM) is known to be a thermo-sensitive polymer that has a Lower Critical Solution Temperature (LCST) around 32oC; above this temperature PNIPAM is insoluble in water and collapses. It is also known that with the addition of salt, the LCST decreases. This work shows Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) evidence that the LCST of the PNIPAM can be tuned with salt type and concentration. Microcapsules were used to encapsulate this thermo-sensitive polymer, resulting in a reversible and tunable stimuli- responsive system. The encapsulation of the PNIPAM inside of the capsule was proven with Raman spectroscopy, DSC (bulk LCST measurements), AFM (thickness change), SEM (morphology change) and CLSM (in situ LCST measurement inside of the capsules). The exploitation of the capsules as a microcontainer is advantageous not only because of the protection the capsules give to the active molecules, but also because it facilitates easier transport.  The second system investigated demonstrates the ability to reduce the permeability of polyelectrolyte multilayer films by the addition of charged wax particles. The incorporation of this hydrophobic coating leads to a reduced water sensitivity particularly after heating, which melts the wax, forming a barrier layer. This conclusion was proven with Neutron Reflectivity by showing the decreased presence of D2O in planar polyelectrolyte films after annealing creating a barrier layer. The permeability of capsules could also be decreased by the addition of a wax layer. This was proved by the increase in recovery time measured by Florescence Recovery After Photobleaching, (FRAP) measurements.  In general two advanced methods, potentially suitable for drug delivery systems, have been proposed. In both cases, if biocompatible elements are used to fabricate the capsule wall, these systems provide a stable method of encapsulating active molecules. Stable encapsulation coupled with the ability to tune the wall thickness gives the ability to control the release profile of the molecule of interest.
N2  - Verkapselung ist ein vielseitiges Werkzeug, das zum Schutz und zum Transport von Molekülen ebenso eingesetzt werden kann, wie zur Verbindung von Reaktionspartnern in einem gemeinsamen, von der Umgebung abgeschirmten Raum. Es basiert auf einem einfachen Vorbild der Natur. Pflanzen schützen ihren Samen zum Beispiel durch eine harte, nahezu undurchdringbare Schale (Nüsse) oder durch eine selektiv durchlässige Hülle, wie bei Weizen, der sobald er feucht wird zu keimen beginnt. Die Natur setzt durch den Einsatz des Hülle-Kern Prinzips sehr effizient die Kontrolle über Durchlässigkeit und Anpassung an bestimmte Aufgaben um.  Wird das Hülle-Kern-Prinzip zum Schutz oder Transport von Molekülen eingesetzt, so sind die zu verwendenden Kapseln nur wenige Mikrometer groß. Sie werden dann als Mikrokapseln bezeichnet. Zur Erzeugung dieser Mikrokapseln werden verschiedene Methoden verwendet. Der heute übliche Weg geht von einer ca. 5-10 Mikrometer großen Kugel (Kern) aus, die mit einer stabilen und an die gewünschten Eigenschaften angepassten Schicht von wenigen Nanometern versehen wird. Im Anschluss wird der Kern herausgelöst und eine hohle, stabile Kapsel erhalten.  Schichten von wenigen Nanometern Dicke können aus Polyelektrolyten durch das Layer-by-Layer-Verfahren (LbL) hergestellt werden. Dieses Verfahren eignet sich auf Grund seiner vielen Anpassungsmöglichkeiten besonders zum Aufbau der Schichten für Mikrokapseln, da sich die Eigenschaften der Beschichtung bereits beim Aufbau der Schicht auf die Bedürfnisse maßschneidern lassen. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung von Mikrokapseln, deren Eigenschaften temperaturabhängig sind. Dies wurde auf zwei Wegen erreicht. Zum einen wurden Kapseln aus Polyelektrolyten und Wachs aufgebaut. Bei Temperaturerhöhung schmilzt das Wachs und versiegelt die Kapsel. Zum anderen werden Kapseln mit einem Wärme empfindlichen Polymer gefüllt. Bei Temperaturerhöhung kollabiert das Polymergerüst. Der enthaltene Wirkstoff wird freigesetzt.
KW  - Mikrokapsel
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Mehrschichtsysteme
KW  - Polyelectrolyte
KW  - Multilayers
KW  - Capsule
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7785
ER  - 
TY  - THES
A1  - Maltseva, Elena
T1  - Model membrane interactions with ions and peptides at the air/water interface
T1  - Wechselwirkungen von Modellmembranen mit Ionen und Peptiden - studiert an der Luft-Wasser-Grenzfläche
N2  - The interactions between peptides and lipids are of fundamental importance in the functioning of numerous membrane-mediated biochemical processes including antimicrobial peptide action, hormone-receptor interactions, drug bioavailability across the blood-brain barrier and viral fusion processes. Alteration of peptide structure could be a cause of many diseases. Biological membranes are complex systems, therefore simplified models may be introduced in order to understand processes occurring in nature. The lipid monolayers at the air/water interface are suitable model systems to mimic biological membranes since many parameters can be easily controlled. In the present work the lipid monolayers were used as a model membrane and their interactions with two different peptides B18 and Amyloid beta (1-40) peptide were investigated. B18 is a synthetic peptide that binds to lipid membranes that leads to the membrane fusion. It was demonstrated that it adopts different structures in the aqueous solutions and in the membrane interior. It is unstructured in solutions and forms alpha-helix at the air/water interface or in the membrane bound state. The peptide has affinity to the negatively charged lipids and even can fold into beta-sheet structure in the vicinity of charged membranes at high peptide to lipid ratio. It was elucidated that in the absence of electrostatic interactions B18 does not influence on the lipid structure, whereas it provides partial liquidization of the negatively charged lipids. The understanding of mechanism of the peptide action in model system may help to develop the new type of antimicrobial peptides as well as it can shed light on the general mechanisms of peptide/membrane binding. The other studied peptide - Amyloid beta (1-40) peptide, which is the major component of amyloid plaques found in the brain of patients with Alzheimer's disease. Normally the peptide is soluble and is not toxic. During aging or as a result of the disease it aggregates and shows a pronounced neurotoxicity. The peptide aggregation involves the conformational transition from a random coil or alpha-helix to beta-sheets. Recently it was demonstrated that the membrane can play a crucial role for the peptide aggregation and even more the peptide can cause the change in the cell membranes that leads to a neuron death. In the present studies the structure of the membrane bound Amyloid beta peptide was elucidated. It was found that the peptide adopts the beta-sheet structure at the air/water interface or being adsorbed on lipid monolayers, while it can form alpha-helical structure in the presence of the negatively charged vesicles. The difference between the monolayer system and the bulk system with vesicles is the peptide to lipid ratio. The peptide adopts the helical structure at low peptide to lipid ratio and folds into beta-sheet at high ratio. Apparently, Abeta peptide accumulation in the brain is concentration driven. Increasing concentration leads to a change in the lipid to peptide ratio that induces the beta-sheet formation. The negatively charged lipids can act as seeds in the plaque formation, the peptide accumulates on the membrane and when the peptide to lipid ratio increases it the peptide forms toxic beta-sheet containing aggregates.
N2  - Wechselwirkungen zwischen Peptiden und Lipiden sind von grundlegender Bedeutung für die Funktion vieler Membran-vermittelter biochemischer Prozesse wie der Wirkung von antimikrobiellen Peptiden, Hormon-Rezeptor Wechselwirkungen, Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen durch die Blut-Hirn-Schranke und viraler Fusionsprozesse. Veränderungen in der Peptidstruktur können die Ursache für viele Erkrankungen sein. Biologische Membranen sind für grundlegende physikalisch-chemische Untersuchungen von Naturprozessen zu komplexe Systeme, so dass vereinfachte Modelle für solche Studien eingesetzt werden. Eine Lipidmonoschicht an der Wasser/Luft Grenzfläche ist ein geeignetes Modellsystem für eine Membranoberfläche. Viele physikalisch-chemischen Parameter können auf einfache Weise gezielt verändert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Lipidmonoschichten genutzt, um Wechselwirkungen mit zwei unterschiedlichen Peptiden (B18 and Amyloid Beta (1-40) Peptid) zu untersuchen. B18 ist ein oberflächenaktives synthetisches Peptid, das an Lipidmembranen bindet und zu Membranfusion führt. Es kann verschiedene Sekundärstrukturen ausbilden. So ist B18 in wässrigen Lösungen ungeordnet und bildet eine alpha-helikale Struktur an der Wasser/Luft Grenzfläche. Das Peptid hat eine große Affinität zu negativ geladenen Lipiden und kann in der Nähe von geladenen Membranoberflächen bei einem großen Peptid/Lipid Verhältnis eine Beta-Faltblatt Struktur ausbilden. Beim Fehlen elektrostatischer Wechselwirkungen hat B18 keinen Einfluss auf die Lipidstruktur. Es wirkt jedoch strukturabbauend auf anionische Lipide. Das Verständnis der Peptidwirkungen in Modellsystemen kann helfen, generelle Mechanismen von Peptide-Membran Wechselwirkungen zu verstehen und zur Entwicklung neuer antimikrobieller Peptide beizutragen. Amyloid Beta (1-40) Peptid ist die Hauptkomponente von Amyloid-Plaque, das im Gehirn von Alzheimer Patienten gefunden wird. Normalerweise ist das Peptid löslich und nicht toxisch. Hohe Neurotoxizität wird bei Peptidaggregation, die eine Strukturumwandlung von ungeordnet oder alpha-helikal zu Beta-Faltblatt nach sich zieht, beobachtet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Struktur des Membran-gebundenen Amyloid Beta (1-40) Peptids untersucht. Es zeigte sich, dass das Peptid nach Adsorption an die Wasser/Luft Grenzfläche oder an Lipidmonoschichten eine Beta-Faltblatt Struktur ausbildet. Eine alpha-helikale Sekundärstruktur wird nur bei Anwesenheit negativ geladenen Lipidvesikel gefunden. Der entscheidende Unterschied zwischen den Monoschicht- und Vesikel-Systemen ist das Peptid/Lipid Verhältnis. Die alpha-helikale Struktur wird nur bei kleinem Peptid/Lipid Verhältnis beobachtet, während bei großem eine Beta-Faltblatt Struktur auftritt. Steigende Konzentration an Amyloid Beta (1-40) Peptid führt zum Anstieg des Peptid/Lipid Verhältnisses und damit zur Ausbildung der Beta-Faltblatt Struktur. Negativ geladene Lipide können somit als Keimpunkte für die Plaquebildung fungieren.
KW  - Lipide
KW  - Monoschicht
KW  - Peptide
KW  - Phospholipid
KW  - Langmuir monolayers
KW  - IRRAS
KW  - Amyloid peptide
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5670
ER  -