TY - GEN A1 - Küken, Anika A1 - Sommer, Frederik A1 - Yaneva-Roder, Liliya A1 - Mackinder, Luke C.M. A1 - Höhne, Melanie A1 - Geimer, Stefan A1 - Jonikas, Martin C. A1 - Schroda, Michael A1 - Stitt, Mark A1 - Nikoloski, Zoran A1 - Mettler-Altmann, Tabea T1 - Effects of microcompartmentation on flux distribution and metabolic pools in Chlamydomonas reinhardtii chloroplasts T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Cells and organelles are not homogeneous but include microcompartments that alter the spatiotemporal characteristics of cellular processes. The effects of microcompartmentation on metabolic pathways are however difficult to study experimentally. The pyrenoid is a microcompartment that is essential for a carbon concentrating mechanism (CCM) that improves the photosynthetic performance of eukaryotic algae. Using Chlamydomonas reinhardtii, we obtained experimental data on photosynthesis, metabolites, and proteins in CCM-induced and CCM-suppressed cells. We then employed a computational strategy to estimate how fluxes through the Calvin-Benson cycle are compartmented between the pyrenoid and the stroma. Our model predicts that ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP), the substrate of Rubisco, and 3-phosphoglycerate (3PGA), its product, diffuse in and out of the pyrenoid, respectively, with higher fluxes in CCM-induced cells. It also indicates that there is no major diffusional barrier to metabolic flux between the pyrenoid and stroma. Our computational approach represents a stepping stone to understanding microcompartmentalized CCM in other organisms. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1122 KW - carbon concentrating mechanism KW - B12-dependent 1,2-propanediol degradation KW - green algae KW - co2 concentrating mechanism KW - salmonella typhimurium KW - co2 concentration KW - enzyme activities KW - anhydrase CAH3 KW - protein KW - expression Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446358 SN - 1866-8372 IS - 1122 ER - TY - GEN A1 - Jing, Miao A1 - Heße, Falk A1 - Kumar, Rohini A1 - Wang, Wenqing A1 - Fischer, Thomas A1 - Walther, Marc A1 - Zink, Matthias A1 - Zech, Alraune A1 - Samaniego, Luis A1 - Kolditz, Olaf A1 - Attinger, Sabine T1 - Improved regional-scale groundwater representation by the coupling of the mesoscale Hydrologic Model (mHM v5.7) to the groundwater model OpenGeoSys (OGS) T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Most large-scale hydrologic models fall short in reproducing groundwater head dynamics and simulating transport process due to their oversimplified representation of groundwater flow. In this study, we aim to extend the applicability of the mesoscale Hydrologic Model (mHM v5.7) to subsurface hydrology by coupling it with the porous media simulator OpenGeoSys (OGS). The two models are one-way coupled through model interfaces GIS2FEM and RIV2FEM, by which the grid-based fluxes of groundwater recharge and the river-groundwater exchange generated by mHM are converted to fixed-flux boundary conditions of the groundwater model OGS. Specifically, the grid-based vertical reservoirs in mHM are completely preserved for the estimation of land-surface fluxes, while OGS acts as a plug-in to the original mHM modeling framework for groundwater flow and transport modeling. The applicability of the coupled model (mHM-OGS v1.0) is evaluated by a case study in the central European mesoscale river basin - Nagelstedt. Different time steps, i.e., daily in mHM and monthly in OGS, are used to account for fast surface flow and slow groundwater flow. Model calibration is conducted following a two-step procedure using discharge for mHM and long-term mean of groundwater head measurements for OGS. Based on the model summary statistics, namely the Nash-Sutcliffe model efficiency (NSE), the mean absolute error (MAE), and the interquartile range error (QRE), the coupled model is able to satisfactorily represent the dynamics of discharge and groundwater heads at several locations across the study basin. Our exemplary calculations show that the one-way coupled model can take advantage of the spatially explicit modeling capabilities of surface and groundwater hydrologic models and provide an adequate representation of the spatiotemporal behaviors of groundwater storage and heads, thus making it a valuable tool for addressing water resources and management problems. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 851 KW - travel-time distributions KW - surface-water KW - land-surface KW - surface/subsurface flow KW - parameter-estimation KW - subsurface flow KW - transport model KW - climate-change KW - river-basins KW - catchment Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427030 SN - 1866-8372 IS - 851 SP - 1989 EP - 2007 ER - TY - THES A1 - Platz, Anna T1 - Novel pre-stack data confinement and selection for magnetotelluric data processing and its application to data of the Eastern Karoo Basin, South Africa T1 - Neue "pre-stack" Datenbeschränkungs- und Selektionskriterien für die magnetotellurische Datenbearbeitung und ihre Anwendung auf Daten aus dem östlichen Karoo-Becken in Südafrika N2 - Magnetotellurics (MT) is a geophysical method that is able to image the electrical conductivity structure of the subsurface by recording time series of natural electromagnetic (EM) field variations. During the data processing these time series are divided into small segments and for each segment spectral values are computed which are typically averaged in a statistical manner to obtain MT transfer functions. Unfortunately, the presence of man-made EM noise sources often deteriorates a significant amount of the recorded time series resulting in disturbed transfer functions. Many advanced processing techniques, e.g. robust statistics, pre-stack data selection or remote reference, have been developed to tackle this problem. The first two techniques reduce the amount of outliers and noise in the data whereas the latter approach removes noise by using data from another MT station. However, especially in populated regions the data processing is still quite challenging even with these approaches. In this thesis, I present two novel pre-stack data confinement and selection criteria for the detection of outliers and noise affected data based on (i) a distance measure of each data segment with regard to the entire sample distribution and (ii) the evaluation of the magnetic polarisation direction of all segments. The first criterion is able to remove data points that scatter around the desired MT distribution and furthermore it can, under some circumstances, even reject complete data cluster originating from noise sources. The second criterion eliminates data points caused by a strongly polarised magnetic signal. Both criteria have been successfully applied to many stations with different noise contaminations showing that they can significantly improve the transfer function estimation. The novel criteria were used to evaluate a MT data set from the Eastern Karoo Basin in South Africa. The corresponding field experiment is part of an extensive research programme to collect information of the current e.g. geological setting in this region prior to a potential shale gas exploitation. The aim was to investigate whether a three-dimensional (3D) inversion of the newly measured data fosters a more realistic mapping of physical properties of the target horizon. For this purpose, a comprehensive 3D model was derived by using all available data. In a second step, I analysed parameters of the target horizon, e.g. its conductivity, that are proxies for physical properties such as thermal maturity and porosity. N2 - Magnetotellurik (MT) kann die elektrische Leitfähigkeit des Untergrundes abbilden indem Zeitreihen von natürlichen elektromagnetischen (EM) Wechselfeldern gemessen werden. Während der Datenbearbeitung werden die Zeitreihen in Abschnitte unterteilt und für jeden Abschnitt werden Spektren berechnet, welche auf statistische Art gemittelt werden um MT Übertragungsfunktionen zu bestimmen. Unglücklicherweise beeinflusst die Anwesenheit von künstlichen EM Rauschquellen oft eine signifikante Menge der aufgezeichneten Zeitreihen. Dies führt zu gestörten bzw. falschen Übertragungsfunktionen. Mehrere Methoden wurden entwickelt um dieses Problem zu beheben, z.B. robuste Statistik, pre-stack Datenselektion oder das "remote reference" Verfahren. Die ersten beiden Techniken reduzieren den Anteil von Ausreißern und Rauschen in den Daten während das letzte Verfahren Rauschen mit Hilfe von Daten einer zusätzlichen MT Station entfernt. Trotzdem bleibt die Datenbearbeitung vor allem in besiedelten Gebieten selbst mit diesen Methoden schwierig. In dieser Arbeit präsentiere ich zwei neue pre-stack Datenselektionskriterien zur Bestimmung von Ausreißern und verrauschten Datenpunkten basierend auf (i) einem Distanzmaß unter Berücksichtigung der gesamten Datenverteilung und (ii) der Auswertung der magnetischen Polarisierungsrichtung für jeden Abschnitt. Mit Hilfe des ersten Kriteriums können Datenpunkte entfernt werden, die um die eigentliche MT Verteilung streuen. Außerdem kann es unter bestimmten Umständen sogar ganze Datencluster beseitigen, welche von Rauschquellen hervorgerufen werden. Das zweite Kriterium eliminiert Datenpunkte, welche durch ein stark polarisiertes magnetisches Signal verursacht werden. Beide Kriterien wurden erfolgreich auf viele Stationen mit unterschiedlichen Rauschverhalten angewandt. Weiterhin wurden sie genutzt um MT Daten aus dem östlichen Karoo-Becken in Südafrika auszuwerten. Das dazugehörige Feldexperiment ist Teil eines umfangreichen Forschungsprojektes, welches Informationen über die aktuelle geologische Situation in dem Gebiet sammelt, bevor eine mögliche Schiefergasförderung stattfindet. Der Fokus lag darauf zu untersuchen, ob eine 3D Inversion der neu gemessenen Daten eine realistischere Abbildung der physikalischen Eigenschaften des Zielhorizonts fördert. Zu diesem Zweck wurde ein 3D Modell mit Hilfe aller verfügbaren Daten entwickelt. Anschließend habe ich verschiedene Parameter des Zielhorizonts analysiert, welche Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften wie thermische Reife und Porosität erlauben. KW - magnetotellurics KW - Eastern Karoo Basin KW - data processing KW - Mahalanobis distance KW - magnetic polarisation direction KW - Magnetotellurik KW - Östliches Karoo-Becken KW - Datenbearbeitung KW - Mahalanobis-Distanz KW - magnetische Polarisationsrichtung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415087 ER - TY - THES A1 - Kotha, Sreeram Reddy T1 - Quantification of uncertainties in seismic ground-motion prediction T1 - Quantifizierung von Unsicherheiten bei der seismischen Bodenbewegungsvorhersage N2 - The purpose of Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) at a construction site is to provide the engineers with a probabilistic estimate of ground-motion level that could be equaled or exceeded at least once in the structure’s design lifetime. A certainty on the predicted ground-motion allows the engineers to confidently optimize structural design and mitigate the risk of extensive damage, or in worst case, a collapse. It is therefore in interest of engineering, insurance, disaster mitigation, and security of society at large, to reduce uncertainties in prediction of design ground-motion levels. In this study, I am concerned with quantifying and reducing the prediction uncertainty of regression-based Ground-Motion Prediction Equations (GMPEs). Essentially, GMPEs are regressed best-fit formulae relating event, path, and site parameters (predictor variables) to observed ground-motion values at the site (prediction variable). GMPEs are characterized by a parametric median (μ) and a non-parametric variance (σ) of prediction. μ captures the known ground-motion physics i.e., scaling with earthquake rupture properties (event), attenuation with distance from source (region/path), and amplification due to local soil conditions (site); while σ quantifies the natural variability of data that eludes μ. In a broad sense, the GMPE prediction uncertainty is cumulative of 1) uncertainty on estimated regression coefficients (uncertainty on μ,σ_μ), and 2) the inherent natural randomness of data (σ). The extent of μ parametrization, the quantity, and quality of ground-motion data used in a regression, govern the size of its prediction uncertainty: σ_μ and σ. In the first step, I present the impact of μ parametrization on the size of σ_μ and σ. Over-parametrization appears to increase the σ_μ, because of the large number of regression coefficients (in μ) to be estimated with insufficient data. Under-parametrization mitigates σ_μ, but the reduced explanatory strength of μ is reflected in inflated σ. For an optimally parametrized GMPE, a ~10% reduction in σ is attained by discarding the low-quality data from pan-European events with incorrect parametric values (of predictor variables). In case of regions with scarce ground-motion recordings, without under-parametrization, the only way to mitigate σ_μ is to substitute long-term earthquake data at a location with short-term samples of data across several locations – the Ergodic Assumption. However, the price of ergodic assumption is an increased σ, due to the region-to-region and site-to-site differences in ground-motion physics. σ of an ergodic GMPE developed from generic ergodic dataset is much larger than that of non-ergodic GMPEs developed from region- and site-specific non-ergodic subsets - which were too sparse to produce their specific GMPEs. Fortunately, with the dramatic increase in recorded ground-motion data at several sites across Europe and Middle-East, I could quantify the region- and site-specific differences in ground-motion scaling and upgrade the GMPEs with 1) substantially more accurate region- and site-specific μ for sites in Italy and Turkey, and 2) significantly smaller prediction variance σ. The benefit of such enhancements to GMPEs is quite evident in my comparison of PSHA estimates from ergodic versus region- and site-specific GMPEs; where the differences in predicted design ground-motion levels, at several sites in Europe and Middle-Eastern regions, are as large as ~50%. Resolving the ergodic assumption with mixed-effects regressions is feasible when the quantified region- and site-specific effects are physically meaningful, and the non-ergodic subsets (regions and sites) are defined a priori through expert knowledge. In absence of expert definitions, I demonstrate the potential of machine learning techniques in identifying efficient clusters of site-specific non-ergodic subsets, based on latent similarities in their ground-motion data. Clustered site-specific GMPEs bridge the gap between site-specific and fully ergodic GMPEs, with their partially non-ergodic μ and, σ ~15% smaller than the ergodic variance. The methodological refinements to GMPE development produced in this study are applicable to new ground-motion datasets, to further enhance certainty of ground-motion prediction and thereby, seismic hazard assessment. Advanced statistical tools show great potential in improving the predictive capabilities of GMPEs, but the fundamental requirement remains: large quantity of high-quality ground-motion data from several sites for an extended time-period. N2 - Der Zweck der probabilistischen seismischen Gefährdungsbeurteilung (PSHA) auf einer Baustelle besteht darin, den Ingenieuren eine probabilistische Schätzung des Bodenbewegungspegels zu liefern, die mindestens einmal in der Entwurfslebensdauer der Struktur erreicht oder überschritten werden könnte. Eine Gewissheit über die vorhergesagte Bodenbewegung erlaubt es den Ingenieuren, das strukturelle Design sicher zu optimieren und das Risiko von weitreichenden Schäden oder im schlimmsten Fall eines Zusammenbruchs zu minimieren. Es liegt daher im Interesse des Ingenieurwesens, der Versicherung, der Katastrophenvorsorge und der Sicherheit der Gesellschaft insgesamt, die Unsicherheiten bei der Vorhersage der Bodenbewegungsebenen des Entwurfs zu reduzieren. In dieser Studie, beschäftige ich mich mit der Quantifizierung und Reduzierung der Vorhersageunsicherheit von Regressions-basierten Bodenbewegungsvorhersage-Gleichungen (GMPEs). Im Wesentlichen sind GMPEs am besten angepasste Formeln, die Ereignis-, Pfad- und Standortparameter (Prädiktorvariablen) auf beobachtete Bodenbewegungswerte an der Stelle (Vorhersagevariable) beziehen. GMPEs sind gekennzeichnet durch einen parametrischen Median (μ) und eine nichtparametrische Varianz (σ) der Vorhersage. μ erfasst die bekannte Bodenbewegungs-Physik, d. h. Skalierung mit Erdbebenbrucheigenschaften (Ereignis), Dämpfung mit Abstand von der Quelle (Region/Pfad) und Verstärkung aufgrund lokaler Bodenbedingungen (Standort); während σ die natürliche Variabilität von Daten quantifiziert, die sich dem μ entziehen. In einem weiten Sinne ist die GMPE-Vorhersageunsicherheit kumulativ von 1) Unsicherheit bezüglich der geschätzten Regressionskoeffizienten (Unsicherheit auf μ; σ_μ) und 2) der inhärenten natürlichen Zufälligkeit von Daten (σ). Das Ausmaß der μ-Parametrisierung, die Menge und die Qualität der Bodenbewegungsdaten, die in einer Regression verwendet werden, bestimmen die Größe der Vorhersageunsicherheit: σ_μ und σ. Im ersten Schritt stelle ich den Einfluss der μ-Parametrisierung auf die Größe von σ_μ und σ vor. Überparametrisierung scheint die σ_μ zu erhöhen, da die große Anzahl von Regressionskoeffizienten (in μ) mit unzureichenden Daten geschätzt werden muss. Unterparametrisierung mindert σ_μ, aber die reduzierte Erklärungsstärke von μ spiegelt sich in aufgeblähtem σ wider. Für eine optimal parametrisierte GMPE wird eine ~ 10% ige Verringerung von σ erreicht, indem die Daten niedriger Qualität aus paneuropäischen Ereignissen mit inkorrekten Parameterwerten (von Prädiktorvariablen) verworfen werden. In Regionen mit wenigen Bodenbewegungsaufzeichnungen, ohne Unterparametrisierung, besteht die einzige Möglichkeit, σ_μ abzuschwächen, darin, langfristige Erdbebendaten an einem Ort durch kurzzeitige Datenproben an mehreren Orten zu ersetzen - die Ergodische Annahme. Der Preis der ergodischen Annahme ist jedoch aufgrund der Unterschiede in der Bodenbewegungsphysik von Region-zu-Region und von Ort-zu-Ort ein erhöhter σ. σ einer ergodischen GMPE, die aus einem generischen ergodischen Datensatz entwickelt wurde, ist viel größer als die von nicht-ergodischen GMPEs, die aus regions- und ortsspezifischen nicht-ergodischen Teilmengen entwickelt wurden - die zu dünn waren, um ihre spezifischen GMPEs zu erzeugen. Glücklicherweise konnte ich mit dem dramatischen Anstieg der erfassten Bodenbewegungsdaten an mehreren Standorten in Europa und im Nahen Osten die regions- und standortspezifischen Unterschiede bei der Bodenbewegungsskalierung quantifizieren und die GMPE mit 1) wesentlich genauerer Regionalität verbessern, und ortspezifische μ für Standorte in Italien und der Türkei, und 2) signifikant kleinere Vorhersage Varianz σ. Der Vorteil solcher Verbesserungen für GMPEs ist ziemlich offensichtlich in meinem Vergleich von PSHA-Schätzungen von ergodischen gegenüber regions- und ortsspezifischen GMPEs; wo die Unterschiede in den prognostizierten Bodenbewegungsebenen an verschiedenen Standorten in Europa und im Nahen Osten bis zu ~ 50% betragen. Die Lösung der ergodischen Annahme mit gemischten Regressionen ist machbar, wenn die quantifizierten bereichs- und ortsspezifischen Effekte physikalisch sinnvoll sind und die nicht-ergodischen Teilmengen (Regionen und Standorte) a priori durch Expertenwissen definiert werden. In Ermangelung von Expertendefinitionen demonstriere ich das Potential von maschinellen Lerntechniken bei der Identifizierung effizienter Cluster von ortsspezifischen nicht-ergodischen Untergruppen, basierend auf latenten Ähnlichkeiten in ihren Bodenbewegungsdaten. Geclusterte ortsspezifische GMPEs überbrücken die Lücke zwischen ortsspezifischen und vollständig ergodischen GMPEs mit ihrem teilweise nicht-ergodischen μ und ~ 15% kleiner als die ergodische Varianz. Die methodischen Verbesserungen der GMPE-Entwicklung, die in dieser Studie entwickelt wurden, sind auf neue Bodenbewegungsdatensätze anwendbar, um die Sicherheit der Bodenbewegungsvorhersage und damit die Bewertung der seismischen Gefährdung weiter zu verbessern. Fortgeschrittene statistische Werkzeuge zeigen ein großes Potenzial bei der Verbesserung der Vorhersagefähigkeiten von GMPEs, aber die grundlegende Anforderung bleibt: eine große Menge an hochwertigen Bodenbewegungsdaten von mehreren Standorten für einen längeren Zeitraum. KW - ground-motion variability KW - predictive modeling KW - mixed-effect analysis KW - Probabilistic Seismic Hazard and Risk Assessment KW - machine learning Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415743 ER - TY - THES A1 - Rafighi, Iman T1 - Plasma Instabilities from blazar-induced pair beams propagating through IGM T1 - Plasmainstabilitäten von blazarinduzierten, durch das IGM propagierenden Paarstrahlen BT - Particle-in-Cell Simulations BT - Particle-in-Cell Simulationen N2 - Modern gamma-ray telescopes, provide the main stream of data for astrophysicists in quest of detecting the sources of gamma rays such as active galactic nuclei (AGN). Many blazars have been detected with gamma-ray telescopes such as HESS, VERITAS, MAGIC and Fermi satellite as sources of gamma-rays with the energy E ≥ 100 GeV. These very-high-energy photons interact with extragalactic background light (EBL) producing ultra-relativistic electron-positron pairs. Observations with Fermi-LAT indicate that the GeV gamma-ray flux from some blazars is lower than that predicted from the full electromagnetic cascade. The pairs can induce electrostatic and electromagnetic instabilities. In this case, wave-particle interactions can reduce the energy of the pairs. Therefore, the collective plasma effects can also substantially suppress the GeV-band gamma-ray emission affecting as well the IGMF constraints. Using Particle in cell (PIC) simulations, we have revisited the issue of plasma instabilities induced by electron-positron beams in the fully ionized intergalactic medium. This problem is related to pair beams produced by TeV radiation of blazars. The main objective of our study is to clarify the feedback of the beam-driven instabilities on the pairs. The present dissertation provides new results regarding the plasma instabilities from blazar induced pair beams interacting with intergalactic medium. This clarifies the relevance of plasma instabilities and improves our understanding of blazars. N2 - Modern Gammateleskope, sowohl bodengebundene als auch Satelliten, liefern große Datenvolumen fur die Suche nach den Quellen der hochenergetischen Gammastrahlung im Universum wie z. B. aktive galaktische Kerne (englisch: active galactic nucleus, abgekürzt AGN). Ein AGN ist die Zentralregion einer Galaxie und er besteht aus einem akkretierenden supermassiven schwarzen Loch, dessen Zentralkern einen relativistischen Plasmastrahl senkrecht zur Akkretionsscheibe des schwarzen Lochs emmitiert. Blazare sind eine AGN-Subklasse und eine Quelle der hochenergetischen Gamma-strahlung. Zahlreiche Blazare mit der Photonenenergie E ≥ 100 GeV wurden in der letzten Zeit von den Gammateleskopen H.E.S.S., MAGIC, VERITAS und vom Satelliten FERMI detektiert. Diese hochenergetischen Photonen wechselwirken mit dem extragalaktischen Hintegrundlicht und erzeugen dadurch ultrarelativistische Elektron-Positron-Paare. Diese Teilchenpaare werden durch verschiedene Prozesse beeinflusst und bieten ein breites und interessantes Forschunggebiet. Die vorliegende Doktorarbeit widmet sich insbesondere der Untersuchung von Plasmainstabilitäten, welche die Elektron-Positron-Paare im intergalaktischen Medium induzieren. Diese Instabilitäten sind von besonderer Wichtigkeit, da die Paare durch sie Energieverluste erfahren, welche das reduzierte Gammastrahlensignal im GeV Bereich erklären können. Die Größenordnung der blazarinduzierten Elektron-Positron-Paaredichte ist zu klein, um mit modernern Rechnern simuliert zu werden. In dieser Arbeit wurden daher andere Parameterbereiche untersucht, in welchem die Teilchenpaare sich ähnlich verhalten. Die Doktorarbeit erklärt die Wahl der Simulationsparameter anhand des analytischen Modells und stellt die Simulationsergebnisse dar. Die Ergebnisse lassen sich auf den astrophysikalischen Parameterbereich extrapolieren, so dass eine Abschätzung der Energieverluste der Paare möglich ist. Es wird gezeigt, dass die Elektron-Positron-Paare ihre Energie durch die Wechselwirkung mit den Plasmainstabilitäten etwas schneller als durch die inverse Compton-Streuung dissipieren. Zusammenfassend liefert die vorliegende Doktorarbeit neue relevante Ergebnisse bezüglich der Plasmainstabilitäten, erzeugt von Elektron-Positron-Paaren im intergalaktischen Mendium. Die Ergebnisse verdeutlichen die Relevanz von Plasmainstabilitäten und verbessern unser Verständnis von Blazarspektren. KW - Plasma instability KW - Blazar KW - IGM KW - PIC simulation KW - gamma rays KW - Plasmainstabilität KW - Gammastrahlung KW - Blazar KW - intergalaktisches Medium (IGM) KW - Particle-in-Cell Simulationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417428 ER - TY - GEN A1 - Woodfield, Emma E. A1 - Horne, Richard B. A1 - Glauert, Sarah A. A1 - Menietti, John D. A1 - Shprits, Yuri Y. A1 - Kurth, William S. T1 - Formation of electron radiation belts at Saturn by Z-mode wave acceleration T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - At Saturn electrons are trapped in the planet's magnetic field and accelerated to relativistic energies to form the radiation belts, but how this dramatic increase in electron energy occurs is still unknown. Until now the mechanism of radial diffusion has been assumed but we show here that in-situ acceleration through wave particle interactions, which initial studies dismissed as ineffectual at Saturn, is in fact a vital part of the energetic particle dynamics there. We present evidence from numerical simulations based on Cassini spacecraft data that a particular plasma wave, known as Z-mode, accelerates electrons to MeV energies inside 4 R-S (1 R-S = 60,330 km) through a Doppler shifted cyclotron resonant interaction. Our results show that the Z-mode waves observed are not oblique as previously assumed and are much better accelerators than O-mode waves, resulting in an electron energy spectrum that closely approaches observed values without any transport effects included. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1032 KW - astrophysical plasmas KW - giant planets KW - magnetospheric physics KW - diffusion KW - pitch angle KW - plasma KW - radio KW - region Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468342 SN - 1866-8372 IS - 1032 ER - TY - THES A1 - Hoischen, Clemens T1 - Multi-Messenger Astronomy with H.E.S.S: the Starburst Galaxy NGC253 and the Search for Short Time-Scale Transients T1 - Multi-Botenteilchen-Astronomie mit H.E.S.S: die Starburstgalaxie NGC 253 und die Suche nach kurzzeit-Transienten N2 - Gamma-ray astronomy has proven to provide unique insights into cosmic-ray accelerators in the past few decades. By combining information at the highest photon energies with the entire electromagnetic spectrum in multi-wavelength studies, detailed knowledge of non-thermal particle populations in astronomical objects and systems has been gained: Many individual classes of gamma-ray sources could be identified inside our galaxy and outside of it. Different sources were found to exhibit a wide range of temporal evolution, ranging from seconds to stable behaviours over many years of observations. With the dawn of both neutrino- and gravitational wave astronomy, additional messengers have come into play over the last years. This development presents the advent of multi-messenger astronomy: a novel approach not only to search for sources of cosmic rays, but for astronomy in general. In this thesis, both traditional multi-wavelength studies and multi-messenger studies will be presented. They were carried out with the H.E.S.S. experiment, an imaging air Cherenkov telescope array located in the Khomas Highland of Namibia. H.E.S.S. has entered its second phase in 2012 with the addition of a large, fifth telescope. While the initial array was limited to the study of gamma-rays with energies above 100 GeV, the new instrument allows to access gamma-rays with energies down to a few tens of GeV. Strengths of the multi-wavelength approach will be demonstrated at the example of the galaxy NGC253, which is undergoing an episode of enhanced star-formation. The gamma-ray emission will be discussed in light of all the information on this system available from radio, infrared and X-rays. These wavelengths reveal detailed information on the population of supernova remnants, which are suspected cosmic-ray accelerators. A broad-band gamma-ray spectrum is derived from H.E.S.S. and Fermi-LAT data. The improved analysis of H.E.S.S. data provides a measurement which is no longer dominated by systematic uncertainties. The long-term behaviour of cosmic rays in the starburst galaxy NGC253 is finally characterised. In contrast to the long time-scale evolution of a starburst galaxy, multi-messenger studies are especially intriguing when shorter time-scales are being probed. A prime example of a short time-scale transient are Gamma Ray Bursts. The efforts to understand this phenomenon effectively founded the branch of gamma-ray astronomy. The multi-messenger approach allows for the study of illusive phenomena such as Gamma Ray Bursts and other transients using electromagnetic radiation, neutrinos, cosmic rays and gravitational waves contemporaneously. With contemporaneous observations getting more important just recently, the execution of such observation campaigns still presents a big challenge due to the different limitations and strengths of the infrastructures. An alert system for transient phenomena has been developed over the course of this thesis for H.E.S.S. It aims to address many follow-up challenges in order to maximise the science return of the new large telescope, which is able to repoint much faster than the initial four telescopes. The system allows for fully automated observations based on scientific alerts from any wavelength or messenger and allows H.E.S.S. to participate in multi-messenger campaigns. Utilising this new system, many interesting multi-messenger observation campaigns have been performed. Several highlight observations with H.E.S.S. are analysed, presented and discussed in this work. Among them are observations of Gamma Ray Bursts with low latency and low energy threshold, the follow-up of a neutrino candidate in spatial coincidence with a flaring active galactic nucleus and of the merger of two neutron stars, which was revealed by the coincidence of gravitational waves and a Gamma-Ray Burst. N2 - Die Gammaastronomie hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine wichtige Disziplin für die Suche nach den Beschleunigern der kosmischen Strahlung erwiesen. Dabei ergänzt die Gamma-Strahlung das Bild, welches wir aus Multi-Wellenlängen Studien gewonnen haben ausgezeichnet. Kürzlich sind die beiden neuen astronomischen Boten, Neutrinos und Gravitationswellen, zugänglich geworden. Diese liefern tiefere und neue Erkenntnisse über wichtige Prozesse im Universum und markiert die Geburt der Multi-Botenteilchen Astronomie: eine Form der Astronomie welche Gebrauch vom gesamten elektromagnetischen Spektrum, sowie von kosmischer Strahlung, Neutrinos und auch Gravitationswellen macht. In dieser Arbeit werden sowohl traditionelle Multi-Wellenlängen Studien, als auch neue Multi-Botenteilchen Studien präsentiert. Dabei wird gebrauch von Daten des H.E.S.S. Experiments gemacht: eine Gruppe von abbildenden Cherenkov-Teleskopen in Namibia. Im Jahr 2012 ist H.E.S.S. in die zweite Operationsphase eingetreten: ein neues, großes Teleskop wurde hinzugefügt welches es erlaubt Gamma-Strahlung mit Energien in der Größenordnung von wenigen zehn GeV zu messen. Der Multi-Wellenlängen Ansatz wird an dem Beispiel der Galaxie NGC253 demonstriert. Diese Galaxy befindet sich in einer Episode mit erhöhter Stern-Erzeugungsrate. Die Gamma-Strahlung, welche von dieser Galaxie gemessen wurde, wird im Zusammenhang mit Informationen über dieses System diskutiert die aus Radio, Infrarot und Röntgenstrahlung gewonnen wurden. Diese geben Aufschluss über die große Population von Supernova Überresten, welche exzellente Kandidaten für Beschleuniger von kosmischer Strahlung sind. Ein Breitband Gamma-Strahlungs-Spektrum wurde mit Hilfe von H.E.S.S. und Fermi-LAT Daten zusammengesetzt. Die verbesserte Analyse der H.E.S.S. Daten erzielt eine Messung die nicht mehr von systematischen Unsicherheiten dominiert wird. Anhand des kombinierte Spektrum wird das Verhalten der kosmischen Strahlung in der Galaxy NGC253 diskutiert. Im Gegensatz zum Langzeitverhalten von einer Galaxie wie NGC253, erweisen sich Multi-Botenteilchen Studien als besonders interessant für transiente Phänomene. Gleichzeitige Beobachtungen von Gamma-Strahlung und weiteren Botenteilchen können neue Erkenntnisse über beispielsweise Gammastrahlungsausbrüche oder die Quellen von Astrophysikalischen Neutrinos geben. Da gleichzeitige Beobachtungen in der Gammaastronomie erst seit kurzem immer wichtiger werden, stellen solche Beobachtungskampagnen aktuell eine Herausforderung dar. Um die Herausforderungen zu überwinden und gleichzeitig die wissenschaftlichen Studien, für die das neue große Teleskop von H.E.S.S. besonders geeignet ist, zu maximieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Alarmsystem für transiente Ereignisse entwickelt. Mit der Hilfe dieses neuen Systems konnten bereits viele interessante Beobachtungen durchgeführt werden. Einige der Interessantesten werden in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Darunter sind Beobachtungen von Gammastrahlungsausbrüchen mit kleinen zeitlichen Latenzen und niedriger Energieschwelle, die Nachbeobachtung eines Neutrino Kandidaten welcher räumlich mit einem Aktiven Galaxien Kern, der vorübergehend eine erhöhte Aktivität aufwies, zusammenfiel, sowie Beobachtungen vom Verschmelzen zweier Neutronensterne, was durch Gravitationswellen und einen gleichzeitigen Gammastrahlungsausbruch identifiziert werden konnte. KW - gamma-rays KW - astronomy KW - astro-particle physics KW - multi-messenger astronomy KW - Gamma-Strahlen KW - Astronomie KW - Astroteilchenphysik KW - Multi-Botenteilchen Astronomie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424521 ER - TY - GEN A1 - Melnick, Daniel A1 - Li, Shaoyang A1 - Moreno, Marcos A1 - Cisternas, Marco A1 - Jara Muñoz, Julius A1 - Wesson, Robert A1 - Nelson, Alan A1 - Báez, Juan Carlos A1 - Deng, Zhiguo T1 - Back to full interseismic plate locking decades after the giant 1960 Chile earthquake T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Great megathrust earthquakes arise from the sudden release of energy accumulated during centuries of interseismic plate convergence. The moment deficit (energy available for future earthquakes) is commonly inferred by integrating the rate of interseismic plate locking over the time since the previous great earthquake. But accurate integration requires knowledge of how interseismic plate locking changes decades after earthquakes, measurements not available for most great earthquakes. Here we reconstruct the post-earthquake history of plate locking at Guafo Island, above the seismogenic zone of the giant 1960 (M-w = 9.5) Chile earthquake, through forward modeling of land-level changes inferred from aerial imagery (since 1974) and measured by GPS (since 1994). We find that interseismic locking increased to similar to 70% in the decade following the 1960 earthquake and then gradually to 100% by 2005. Our findings illustrate the transient evolution of plate locking in Chile, and suggest a similarly complex evolution elsewhere, with implications for the time- and magnitude-dependent probability of future events. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 678 KW - south-central Chile KW - continuous GPS measurements KW - andean subduction zone KW - finite-element model KW - 2010 M8.8 maule KW - postseismic deformation KW - megathrust earthquake KW - afterslip KW - slip KW - resolution Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425723 SN - 1866-8372 IS - 678 ER - TY - GEN A1 - Kühn, Danilo A1 - Sorgenfrei, Nomi A1 - Giangrisostomi, Erika A1 - Jay, Raphael Martin A1 - Musazayb, Abdurrahman A1 - Ovsyannikov, Ruslan A1 - Stråhlman, Christian A1 - Svensson, Svante A1 - Mårtensson, Nils A1 - Föhlisch, Alexander T1 - Capabilities of angle resolved time of flight electron spectroscopy with the 60 degrees wide angle acceptance lens T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The simultaneous detection of energy, momentum and temporal information in electron spectroscopy is the key aspect to enhance the detection efficiency in order to broaden the range of scientific applications. Employing a novel 60 degrees wide angle acceptance lens system, based on an additional accelerating electron optical element, leads to a significant enhancement in transmission over the previously employed 30 degrees electron lenses. Due to the performance gain, optimized capabilities for time resolved electron spectroscopy and other high transmission applications with pulsed ionizing radiation have been obtained. The energy resolution and transmission have been determined experimentally utilizing BESSY II as a photon source. Four different and complementary lens modes have been characterized. (C) 2017 The Authors. Published by Elsevier B.V. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 782 KW - Artof KW - electron spectroscopy KW - wide angle KW - time of flight KW - energy resolution KW - synchrotron Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436629 SN - 1866-8372 IS - 782 SP - 45 EP - 50 ER - TY - THES A1 - Angermann, Lisa T1 - Hillslope-stream connectivity across scales T1 - Mehrskalige Untersuchung der Hang-Bach Konnektivität N2 - The concept of hydrologic connectivity summarizes all flow processes that link separate regions of a landscape. As such, it is a central theme in the field of catchment hydrology, with influence on neighboring disciplines such as ecology and geomorphology. It is widely acknowledged to be an important key in understanding the response behavior of a catchment and has at the same time inspired research on internal processes over a broad range of scales. From this process-hydrological point of view, hydrological connectivity is the conceptual framework to link local observations across space and scales. This is the context in which the four studies this thesis comprises of were conducted. The focus was on structures and their spatial organization as important control on preferential subsurface flow. Each experiment covered a part of the conceptualized flow path from hillslopes to the stream: soil profile, hillslope, riparian zone, and stream. For each study site, the most characteristic structures of the investigated domain and scale, such as slope deposits and peat layers were identified based on preliminary or previous investigations or literature reviews. Additionally, further structural data was collected and topographical analyses were carried out. Flow processes were observed either based on response observations (soil moisture changes or discharge patterns) or direct measurement (advective heat transport). Based on these data, the flow-relevance of the characteristic structures was evaluated, especially with regard to hillslope to stream connectivity. Results of the four studies revealed a clear relationship between characteristic spatial structures and the hydrological behavior of the catchment. Especially the spatial distribution of structures throughout the study domain and their interconnectedness were crucial for the establishment of preferential flow paths and their relevance for large-scale processes. Plot and hillslope-scale irrigation experiments showed that the macropores of a heterogeneous, skeletal soil enabled preferential flow paths at the scale of centimeters through the otherwise unsaturated soil. These flow paths connected throughout the soil column and across the hillslope and facilitated substantial amounts of vertical and lateral flow through periglacial slope deposits. In the riparian zone of the same headwater catchment, the connectivity between hillslopes and stream was controlled by topography and the dualism between characteristic subsurface structures and the geomorphological heterogeneity of the stream channel. At the small scale (1 m to 10 m) highest gains always occurred at steps along the longitudinal streambed profile, which also controlled discharge patterns at the large scale (100 m) during base flow conditions (number of steps per section). During medium and high flow conditions, however, the impact of topography and parafluvial flow through riparian zone structures prevailed and dominated the large-scale response patterns. In the streambed of a lowland river, low permeability peat layers affected the connectivity between surface water and groundwater, but also between surface water and the hyporheic zone. The crucial factor was not the permeability of the streambed itself, but rather the spatial arrangement of flow-impeding peat layers, causing increased vertical flow through narrow “windows” in contrast to predominantly lateral flow in extended areas of high hydraulic conductivity sediments. These results show that the spatial organization of structures was an important control for hydrological processes at all scales and study areas. In a final step, the observations from different scales and catchment elements were put in relation and compared. The main focus was on the theoretical analysis of the scale hierarchies of structures and processes and the direction of causal dependencies in this context. Based on the resulting hierarchical structure, a conceptual framework was developed which is capable of representing the system’s complexity while allowing for adequate simplifications. The resulting concept of the parabolic scale series is based on the insight that flow processes in the terrestrial part of the catchment (soil and hillslopes) converge. This means that small-scale processes assemble and form large-scale processes and responses. Processes in the riparian zone and the streambed, however, are not well represented by the idea of convergence. Here, the large-scale catchment signal arrives and is modified by structures in the riparian zone, stream morphology, and the small-scale interactions between surface water and groundwater. Flow paths diverge and processes can better be represented by proceeding from large scales to smaller ones. The catchment-scale representation of processes and structures is thus the conceptual link between terrestrial hillslope processes and processes in the riparian corridor. N2 - Das Konzept der hydrologischen Konnektivität umfasst alle Fließprozesse, welche verschiedene Bereiche einer Landschaft verbinden. Als solches ist es ein zentrales Thema in dem Forschungsbereich der Einzugsgebietshydrologie und beeinflusst auch benachbarte Disziplinen wie die Ökologie oder die Geomorphologie. Es ist allgemein akzeptiert, dass das Konzept der Konnektivität ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis von Einzugsgebietsdynamiken ist, gleichzeitig inspiriert es die Erforschung interner Prozesse auf verschiedenen Skalen. Von dieser prozesshydrologischen Perspektive gesehen, bietet Konnektivität einen konzeptionellen Rahmen, um lokale Beobachtungen über Raum und Skalen miteinander in Verbindung zu setzen. In diesem Kontext stehen die vier Studien dieser Doktorarbeit. Der Fokus lag dabei auf räumlichen Strukturen als wichtigem Kontrollfaktor für präferentielle Fließpfade als spezieller Form unterirdischer Fließprozesse. Die Experimente deckten dabei je einen Abschnitt des konzeptionellen Fließweges vom Hang zum Bach exemplarisch ab: Bodenprofil und Hang, Hang und Auenbreich, und Bachbett. Für alle vier Studien wurden zunächst charakteristische Strukturen des Untersuchungsgebietes wie Schuttablagerungen am Hang oder Torfschichten im Flussbett auf Basis vorausgehender Untersuchungen und Literaturrecherchen identifiziert. Zusätzlich wurden weitere strukturelle Daten erfasst und digitale Geländemodelle ausgewertet. Anschließend wurde die Prozessrelevanz dieser Strukturen, vor allem im Hinblick auf die Hang-Bach-Konnektivität, untersucht. Die Ergebnisse der einzelnen Studien zeigten eine deutliche Verbindung zwischen den charakteristischen räumlichen Strukturen und dem hydrologischen Verhalten des untersuchten Gebietes. Insbesondere die räumliche Anordnung von Strukturen, d.h. die räumliche Verteilung und der Grad der Konnektivität der Strukturen, war ausschlaggebend für die Ausbildung präferenzieller Fließpfade und deren Relevanz für größerskalige Prozesse. Die räumliche Organisation von Strukturen war in allen Untersuchungsgebieten ein wichtiger Kontrollfaktor für hydrologische Prozesse. Die Beobachtungen auf verschiedenen Skalen und verschiedener Fließpfadabschnitte wurden miteinander in Verbindung gesetzt und verglichen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der theoretischen Analyse der Skalenhierarchie von Strukturen und Prozessen und der Richtung der Kausalität in diesem Zusammenhang. Auf dieser Grundlage wurde als Synthese der einzelnen Studien ein Konzept entwickelt, welches in der Lage ist, die Komplexität eines Einzugsgebietes abzubilden und gleichzeitig adequate Vereinfachungen zuzulassen. Diese Konzept der parabelförmigen Skalenabfolge beruht auf der Erkenntnis, dass Fließprozesse im terrestrischen Bereich eines Einzugsgebietes, also im Boden und den Hängen, vorwiegend konvergieren und sich von der kleinen Skala zur größeren hin zusammenfügen. Die Prozesse in der Aue und dem Bachbett werden von diesem Prinzip der Konvergenz allerding nicht abgebildet. Die in den Böden und an den Hängen erzeugten Fließmuster des Einzugsgebiets werden von den Strukturen in der Aue, der Morphologie des Baches und den kleinskaligen Wechselwirkungen zwischen Fließgewässer und Sediment überprägt. Die Fließprozesse divergieren, und eine Beschreibung von der großen Skala hin zur kleineren ist hier besser geeignet. Die räumlich diskrete oder konzeptionelle Darstellung von Prozessen auf der Einzugsgebietsskala bietet so die Verbindung zwischen terrestrischer Hanghydrologie und der bachseitigen Auenhydrologie. KW - catchment hydrology KW - hillslope hydrology KW - riparian zone KW - hyporheic zone KW - Einzugsgebietshydrologie KW - Hanghydrologie KW - Auenbereich KW - hyporheische Zone Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424542 ER - TY - GEN A1 - Duy, Nguyen Le A1 - Heidbüchel, Ingo A1 - Meyer, Hanno A1 - Merz, Bruno A1 - Apel, Heiko T1 - What controls the stable isotope composition of precipitation in the Mekong Delta? BT - a model-based statistical approach T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - This study analyzes the influence of local and regional climatic factors on the stable isotopic composition of rainfall in the Vietnamese Mekong Delta (VMD) as part of the Asian monsoon region. It is based on 1.5 years of weekly rainfall samples. In the first step, the isotopic composition of the samples is analyzed by local meteoric water lines (LMWLs) and single-factor linear correlations. Additionally, the contribution of several regional and local factors is quantified by multiple linear regression (MLR) of all possible factor combinations and by relative importance analysis. This approach is novel for the interpretation of isotopic records and enables an objective quantification of the explained variance in isotopic records for individual factors. In this study, the local factors are extracted from local climate records, while the regional factors are derived from atmospheric backward trajectories of water particles. The regional factors, i.e., precipitation, temperature, relative humidity and the length of backward trajectories, are combined with equivalent local climatic parameters to explain the response variables delta O-18, delta H-2, and d-excess of precipitation at the station of measurement. The results indicate that (i) MLR can better explain the isotopic variation in precipitation (R-2 = 0.8) compared to single-factor linear regression (R-2 = 0.3); (ii) the isotopic variation in precipitation is controlled dominantly by regional moisture regimes (similar to 70 %) compared to local climatic conditions (similar to 30 %); (iii) the most important climatic parameter during the rainy season is the precipitation amount along the trajectories of air mass movement; (iv) the influence of local precipitation amount and temperature is not sig-nificant during the rainy season, unlike the regional precipitation amount effect; (v) secondary fractionation processes (e.g., sub-cloud evaporation) can be identified through the d-excess and take place mainly in the dry season, either locally for delta O-18 and delta H-2, or along the air mass trajectories for d-excess. The analysis shows that regional and local factors vary in importance over the seasons and that the source regions and transport pathways, and particularly the climatic conditions along the pathways, have a large influence on the isotopic composition of rainfall. Although the general results have been reported qualitatively in previous studies (proving the validity of the approach), the proposed method provides quantitative estimates of the controlling factors, both for the whole data set and for distinct seasons. Therefore, it is argued that the approach constitutes an advancement in the statistical analysis of isotopic records in rainfall that can supplement or precede more complex studies utilizing atmospheric models. Due to its relative simplicity, the method can be easily transferred to other regions, or extended with other factors. The results illustrate that the interpretation of the isotopic composition of precipitation as a recorder of local climatic conditions, as for example performed for paleorecords of water isotopes, may not be adequate in the southern part of the Indochinese Peninsula, and likely neither in other regions affected by monsoon processes. However, the presented approach could open a pathway towards better and seasonally differentiated reconstruction of paleoclimates based on isotopic records. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 927 KW - Asian summer monsoon KW - interannuel variability KW - climate controls KW - deuterium excess KW - oxygen isotopes KW - paleoclimate KW - water KW - system KW - trajectories KW - circulation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445743 SN - 1866-8372 IS - 927 SP - 1239 EP - 1262 ER - TY - GEN A1 - Triet, Nguyen Van Khanh A1 - Dung, Nguyen Viet A1 - Merz, Bruno A1 - Apel, Heiko T1 - Towards risk-based flood management in highly productive paddy rice cultivation BT - concept development and application to the Mekong Delta T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Flooding is an imminent natural hazard threatening most river deltas, e.g. the Mekong Delta. An appropriate flood management is thus required for a sustainable development of the often densely populated regions. Recently, the traditional event-based hazard control shifted towards a risk management approach in many regions, driven by intensive research leading to new legal regulation on flood management. However, a large-scale flood risk assessment does not exist for the Mekong Delta. Particularly, flood risk to paddy rice cultivation, the most important economic activity in the delta, has not been performed yet. Therefore, the present study was developed to provide the very first insight into delta-scale flood damages and risks to rice cultivation. The flood hazard was quantified by probabilistic flood hazard maps of the whole delta using a bivariate extreme value statistics, synthetic flood hydrographs, and a large-scale hydraulic model. The flood risk to paddy rice was then quantified considering cropping calendars, rice phenology, and harvest times based on a time series of enhanced vegetation index (EVI) derived from MODIS satellite data, and a published rice flood damage function. The proposed concept provided flood risk maps to paddy rice for the Mekong Delta in terms of expected annual damage. The presented concept can be used as a blueprint for regions facing similar problems due to its generic approach. Furthermore, the changes in flood risk to paddy rice caused by changes in land use currently under discussion in the Mekong Delta were estimated. Two land-use scenarios either intensifying or reducing rice cropping were considered, and the changes in risk were presented in spatially explicit flood risk maps. The basic risk maps could serve as guidance for the authorities to develop spatially explicit flood management and mitigation plans for the delta. The land-use change risk maps could further be used for adaptive risk management plans and as a basis for a cost-benefit of the discussed land-use change scenarios. Additionally, the damage and risks maps may support the recently initiated agricultural insurance programme in Vietnam. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 931 KW - climate change KW - hazard analysis KW - sea level KW - Tho city KW - Vietnam KW - damage KW - uncertainty KW - models KW - floodplains KW - hydrology Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446032 SN - 1866-8372 IS - 931 SP - 2859 EP - 2876 ER - TY - GEN A1 - Wright, Michelle F. A1 - Wachs, Sebastian A1 - Harper, Bridgette D. T1 - The moderation of empathy in the longitudinal association between witnessing cyberbullying, depression, and anxiety T2 - Postprints der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe N2 - While the role of and consequences of being a bystander to face-to-face bullying has received some attention in the literature, to date, little is known about the effects of being a bystander to cyberbullying. It is also unknown how empathy might impact the negative consequences associated with being a bystander of cyberbullying. The present study focused on examining the longitudinal association between bystander of cyberbullying depression, and anxiety, and the moderating role of empathy in the relationship between bystander of cyberbullying and subsequent depression and anxiety. There were 1,090 adolescents (M-age = 12.19; 50% female) from the United States included at Time 1, and they completed questionnaires on empathy, cyberbullying roles (bystander, perpetrator, victim), depression, and anxiety. One year later, at Time 2, 1,067 adolescents (M-age = 13.76; 51% female) completed questionnaires on depression and anxiety. Results revealed a positive association between bystander of cyberbullying and depression and anxiety. Further, empathy moderated the positive relationship between bystander of cyberbullying and depression, but not for anxiety. Implications for intervention and prevention programs are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe - 689 KW - bystander KW - cyberbullying KW - empathy KW - depression KW - anxiety KW - longitudinal Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470505 SN - 1866-8364 IS - 689 ER - TY - GEN A1 - Chen, Pan A1 - Bornhorst, Julia A1 - Aschner, Michael A. T1 - Manganese metabolism in humans T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Manganese (Mn) is an essential nutrient for intracellular activities; it functions as a cofactor for a variety of enzymes, including arginase, glutamine synthetase (GS), pyruvate carboxylase and Mn superoxide dismutase (Mn-SOD). Through these metalloproteins, Mn plays critically important roles in development, digestion, reproduction, antioxidant defense, energy production, immune response and regulation of neuronal activities. Mn deficiency is rare. In contrast Mn poisoning may be encountered upon overexposure to this metal. Excessive Mn tends to accumulate in the liver, pancreas, bone, kidney and brain, with the latter being the major target of Mn intoxication. Hepatic cirrhosis, polycythemia, hypermanganesemia, dystonia and Parkinsonism-like symptoms have been reported in patients with Mn poisoning. In recent years, Mn has come to the forefront of environmental concerns due to its neurotoxicity. Molecular mechanisms of Mn toxicity include oxidative stress, mitochondrial dysfunction, protein misfolding, endoplasmic reticulum (ER) stress, autophagy dysregulation, apoptosis, and disruption of other metal homeostasis. The mechanisms of Mn homeostasis are not fully understood. Here, we will address recent progress in Mn absorption, distribution and elimination across different tissues, as well as the intracellular regulation of Mn homeostasis in cells. We will conclude with recommendations for future research areas on Mn metabolism. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 711 KW - Manganese KW - Metal Metabolism KW - Homeostasis KW - Blood-Brain Barrier KW - Neurotoxicity KW - Transporters KW - Review Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427432 SN - 1866-8372 IS - 711 ER - TY - GEN A1 - Wright, Michelle F. A1 - Wachs, Sebastian T1 - Does parental mediation moderate the longitudinal association among bystanders and perpetrators and victims of cyberbullying? T2 - Postprints der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe N2 - The purpose of the present study was to examine the moderation of parental mediation in the longitudinal association between being a bystander of cyberbullying and cyberbullying perpetration and cyberbullying victimization. Participants were 1067 7th and 8th graders between 12 and 15 years old (51% female) from six middle schools in predominantly middle-class neighborhoods in the Midwestern United States. Increases in being bystanders of cyberbullying was related positively to restrictive and instructive parental mediation. Restrictive parental mediation was related positively to Time 2 (T2) cyberbullying victimization, while instructive parental mediation was negatively related to T2 cyberbullying perpetration and victimization. Restrictive parental mediation was a moderator in the association between bystanders of cyberbullying and T2 cyberbullying victimization. Increases in restrictive parental mediation strengthened the positive relationship between these variables. In addition, instructive mediation moderated the association between bystanders of cyberbullying and T2 cyberbullying victimization such that increases in this form of parental mediation strategy weakened the association between bystanders of cyberbullying and T2 cyberbullying victimization. The current findings indicate a need for parents to be aware of how they can impact adolescents’ involvement in cyberbullying as bullies and victims. In addition, greater attention should be given to developing parental intervention programs that focus on the role of parents in helping to mitigate adolescents’ likelihood of cyberbullying involvement. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe - 679 KW - cyberbullying KW - bystander KW - bystanding KW - victimization KW - perpetration KW - bully KW - parental mediation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472303 SN - 1866-8364 IS - 679 ER - TY - GEN A1 - Metin, Ayse Duha A1 - Dung, Nguyen Viet A1 - Schröter, Kai A1 - Guse, Björn A1 - Apel, Heiko A1 - Kreibich, Heidi A1 - Vorogushyn, Sergiy A1 - Merz, Bruno T1 - How do changes along the risk chain affect flood risk? T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Flood risk is impacted by a range of physical and socio-economic processes. Hence, the quantification of flood risk ideally considers the complete flood risk chain, from atmospheric processes through catchment and river system processes to damage mechanisms in the affected areas. Although it is generally accepted that a multitude of changes along the risk chain can occur and impact flood risk, there is a lack of knowledge of how and to what extent changes in influencing factors propagate through the chain and finally affect flood risk. To fill this gap, we present a comprehensive sensitivity analysis which considers changes in all risk components, i.e. changes in climate, catchment, river system, land use, assets, and vulnerability. The application of this framework to the mesoscale Mulde catchment in Germany shows that flood risk can vary dramatically as a consequence of plausible change scenarios. It further reveals that components that have not received much attention, such as changes in dike systems or in vulnerability, may outweigh changes in often investigated components, such as climate. Although the specific results are conditional on the case study area and the selected assumptions, they emphasize the need for a broader consideration of potential drivers of change in a comprehensive way. Hence, our approach contributes to a better understanding of how the different risk components influence the overall flood risk. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1067 KW - global sensitivity analysis KW - climate change KW - river floods KW - frequency KW - Europe KW - model KW - vulnerability KW - adaptation KW - strategies KW - catchment Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468790 SN - 1866-8372 IS - 1067 ER - TY - THES A1 - Sieg, Tobias T1 - Reliability of flood damage estimations across spatial scales T1 - Verlässlichkeit von Hochwasserschadensschätzungen über räumliche Skalen N2 - Extreme Naturereignisse sind ein integraler Bestandteil der Natur der Erde. Sie werden erst dann zu Gefahren für die Gesellschaft, wenn sie diesen Ereignissen ausgesetzt ist. Dann allerdings können Naturgefahren verheerende Folgen für die Gesellschaft haben. Besonders hydro-meteorologische Gefahren wie zum Beispiel Flusshochwasser, Starkregenereignisse, Winterstürme, Orkane oder Tornados haben ein hohes Schadenspotential und treten rund um den Globus auf. Einhergehend mit einer immer wärmer werdenden Welt, werden auch Extremwetterereignisse, welche potentiell Naturgefahren auslösen können, immer wahrscheinlicher. Allerdings trägt nicht nur eine sich verändernde Umwelt zur Erhöhung des Risikos von Naturgefahren bei, sondern auch eine sich verändernde Gesellschaft. Daher ist ein angemessenes Risikomanagement erforderlich um die Gesellschaft auf jeder räumlichen Ebene an diese Veränderungen anzupassen. Ein essentieller Bestandteil dieses Managements ist die Abschätzung der ökonomischen Auswirkungen der Naturgefahren. Bisher allerdings fehlen verlässliche Methoden um die Auswirkungen von hydro-meteorologischen Gefahren abzuschätzen. Ein Hauptbestandteil dieser Arbeit ist daher die Entwicklung und Anwendung einer neuen Methode, welche die Verlässlichkeit der Schadensschätzung verbessert. Die Methode wurde beispielhaft zur Schätzung der ökonomischen Auswirkungen eines Flusshochwassers auf einzelne Unternehmen bis hin zu den Auswirkungen auf das gesamte Wirtschaftssystem Deutschlands erfolgreich angewendet. Bestehende Methoden geben meist wenig Information über die Verlässlichkeit ihrer Schätzungen. Da diese Informationen Entscheidungen zur Anpassung an das Risiko erleichtern, wird die Verlässlichkeit der Schadensschätzungen mit der neuen Methode dargestellt. Die Verlässlichkeit bezieht sich dabei nicht nur auf die Schadensschätzung selber, sondern auch auf die Annahmen, die über betroffene Gebäude gemacht werden. Nach diesem Prinzip kann auch die Verlässlichkeit von Annahmen über die Zukunft dargestellt werden, dies ist ein wesentlicher Aspekt für Prognosen. Die Darstellung der Verlässlichkeit und die erfolgreiche Anwendung zeigt das Potential der Methode zur Verwendung von Analysen für gegenwärtige und zukünftige hydro-meteorologische Gefahren. N2 - Natural extreme events are an integral part of nature on planet earth. Usually these events are only considered hazardous to humans, in case they are exposed. In this case, however, natural hazards can have devastating impacts on human societies. Especially hydro-meteorological hazards have a high damage potential in form of e.g. riverine and pluvial floods, winter storms, hurricanes and tornadoes, which can occur all over the globe. Along with an increasingly warm climate also an increase in extreme weather which potentially triggers natural hazards can be expected. Yet, not only changing natural systems, but also changing societal systems contribute to an increasing risk associated with these hazards. These can comprise increasing exposure and possibly also increasing vulnerability to the impacts of natural events. Thus, appropriate risk management is required to adapt all parts of society to existing and upcoming risks at various spatial scales. One essential part of risk management is the risk assessment including the estimation of the economic impacts. However, reliable methods for the estimation of economic impacts due to hydro-meteorological hazards are still missing. Therefore, this thesis deals with the question of how the reliability of hazard damage estimates can be improved, represented and propagated across all spatial scales. This question is investigated using the specific example of economic impacts to companies as a result of riverine floods in Germany. Flood damage models aim to describe the damage processes during a given flood event. In other words they describe the vulnerability of a specific object to a flood. The models can be based on empirical data sets collected after flood events. In this thesis tree-based models trained with survey data are used for the estimation of direct economic flood impacts on the objects. It is found that these machine learning models, in conjunction with increasing sizes of data sets used to derive the models, outperform state-of-the-art damage models. However, despite the performance improvements induced by using multiple variables and more data points, large prediction errors remain at the object level. The occurrence of the high errors was explained by a further investigation using distributions derived from tree-based models. The investigation showed that direct economic impacts to individual objects cannot be modeled by a normal distribution. Yet, most state-of-the-art approaches assume a normal distribution and take mean values as point estimators. Subsequently, the predictions are unlikely values within the distributions resulting in high errors. At larger spatial scales more objects are considered for the damage estimation. This leads to a better fit of the damage estimates to a normal distribution. Consequently, also the performance of the point estimators get better, although large errors can still occur due to the variance of the normal distribution. It is recommended to use distributions instead of point estimates in order to represent the reliability of damage estimates. In addition current approaches also mostly ignore the uncertainty associated with the characteristics of the hazard and the exposed objects. For a given flood event e.g. the estimation of the water level at a certain building is prone to uncertainties. Current approaches define exposed objects mostly by the use of land use data sets. These data sets often show inconsistencies, which introduce additional uncertainties. Furthermore, state-of-the-art approaches also imply problems of missing consistency when predicting the damage at different spatial scales. This is due to the use of different types of exposure data sets for model derivation and application. In order to face these issues a novel object-based method was developed in this thesis. The method enables a seamless estimation of hydro-meteorological hazard damage across spatial scales including uncertainty quantification. The application and validation of the method resulted in plausible estimations at all spatial scales without overestimating the uncertainty. Mainly newly available data sets containing individual buildings make the application of the method possible as they allow for the identification of flood affected objects by overlaying the data sets with water masks. However, the identification of affected objects with two different water masks revealed huge differences in the number of identified objects. Thus, more effort is needed for their identification, since the number of objects affected determines the order of magnitude of the economic flood impacts to a large extent. In general the method represents the uncertainties associated with the three components of risk namely hazard, exposure and vulnerability, in form of probability distributions. The object-based approach enables a consistent propagation of these uncertainties in space. Aside from the propagation of damage estimates and their uncertainties across spatial scales, a propagation between models estimating direct and indirect economic impacts was demonstrated. This enables the inclusion of uncertainties associated with the direct economic impacts within the estimation of the indirect economic impacts. Consequently, the modeling procedure facilitates the representation of the reliability of estimated total economic impacts. The representation of the estimates' reliability prevents reasoning based on a false certainty, which might be attributed to point estimates. Therefore, the developed approach facilitates a meaningful flood risk management and adaptation planning. The successful post-event application and the representation of the uncertainties qualifies the method also for the use for future risk assessments. Thus, the developed method enables the representation of the assumptions made for the future risk assessments, which is crucial information for future risk management. This is an important step forward, since the representation of reliability associated with all components of risk is currently lacking in all state-of-the-art methods assessing future risk. In conclusion, the use of object-based methods giving results in the form of distributions instead of point estimations is recommended. The improvement of the model performance by the means of multi-variable models and additional data points is possible, but small. Uncertainties associated with all components of damage estimation should be included and represented within the results. Furthermore, the findings of the thesis suggest that, at larger scales, the influence of the uncertainty associated with the vulnerability is smaller than those associated with the hazard and exposure. This leads to the conclusion that for an increased reliability of flood damage estimations and risk assessments, the improvement and active inclusion of hazard and exposure, including their uncertainties, is needed in addition to the improvements of the models describing the vulnerability of the objects. KW - hydro-meteorological risk KW - damage modeling KW - uncertainty KW - probabilistic approach KW - economic impacts KW - OpenStreetMap KW - hydro-meteorologische Risiken KW - Schadensmodellierung KW - Unsicherheiten KW - probabilistischer Ansatz KW - ökonomische Auswirkungen KW - OpenStreetMap Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426161 ER - TY - GEN A1 - Wachs, Sebastian A1 - Bilz, Ludwig A1 - Fischer, Saskia M. A1 - Schubarth, Wilfried A1 - Wright, Michelle F. T1 - Students’ Willingness to Intervene in Bullying BT - Direct and Indirect Associations with Classroom Cohesion and Self-Efficacy T2 - Postprints der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe N2 - Although school climate and self-efficacy have received some attention in the literature, as correlates of students’ willingness to intervene in bullying, to date, very little is known about the potential mediating role of self-efficacy in the relationship between classroom climate and students’ willingness to intervene in bullying. To this end, the present study analyzes whether the relationship between classroom cohesion (as one facet of classroom climate) and students’ willingness to intervene in bullying situations is mediated by self-efficacy in social conflicts. This study is based on a representative stratified random sample of two thousand and seventy-one students (51.3% male), between the ages of twelve and seventeen, from twenty-four schools in Germany. Results showed that between 43% and 48% of students reported that they would not intervene in bullying. A mediation test using the structural equation modeling framework revealed that classroom cohesion and self-efficacy in social conflicts were directly associated with students’ willingness to intervene in bullying situations. Furthermore, classroom cohesion was indirectly associated with higher levels of students’ willingness to intervene in bullying situations, due to self-efficacy in social conflicts. We thus conclude that: (1) It is crucial to increase students’ willingness to intervene in bullying; (2) efforts to increase students’ willingness to intervene in bullying should promote students’ confidence in dealing with social conflicts and interpersonal relationships; and (3) self-efficacy plays an important role in understanding the relationship between classroom cohesion and students’ willingness to intervene in bullying. Recommendations are provided to help increase adolescents’ willingness to intervene in bullying and for future research. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe - 495 KW - bullying KW - intervention KW - willingness to intervene KW - verbal bullying KW - relational bullying KW - aggression KW - school KW - classroom climate KW - self-efficacy Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421185 SN - 1866-8364 IS - 495 ER - TY - GEN A1 - Wachs, Sebastian A1 - Wright, Michelle F. T1 - Associations between Bystanders and Perpetrators of Online Hate BT - The Moderating Role of Toxic Online Disinhibition T2 - Postprints der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe N2 - Hatred directed at members of groups due to their origin, race, gender, religion, or sexual orientation is not new, but it has taken on a new dimension in the online world. To date, very little is known about online hate among adolescents. It is also unknown how online disinhibition might influence the association between being bystanders and being perpetrators of online hate. Thus, the present study focused on examining the associations among being bystanders of online hate, being perpetrators of online hate, and the moderating role of toxic online disinhibition in the relationship between being bystanders and perpetrators of online hate. In total, 1480 students aged between 12 and 17 years old were included in this study. Results revealed positive associations between being online hate bystanders and perpetrators, regardless of whether adolescents had or had not been victims of online hate themselves. The results also showed an association between toxic online disinhibition and online hate perpetration. Further, toxic online disinhibition moderated the relationship between being bystanders of online hate and being perpetrators of online hate. Implications for prevention programs and future research are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe - 475 KW - online hate KW - hate speech KW - bystander KW - perpetrator KW - online disinhibition KW - online discrimination KW - cyber aggression Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419486 IS - 475 ER - TY - GEN A1 - Mantzouki, Evanthia A1 - Lürling, Miquel A1 - Fastner, Jutta A1 - Domis, Lisette Nicole de Senerpont A1 - Wilk-Woźniak, Elżbieta A1 - Koreiviene, Judita A1 - Seelen, Laura A1 - Teurlincx, Sven A1 - Verstijnen, Yvon A1 - Krztoń, Wojciech A1 - Walusiak, Edward A1 - Karosienė, Jūratė A1 - Kasperovičienė, Jūratė A1 - Savadova, Ksenija A1 - Vitonytė, Irma A1 - Cillero-Castro, Carmen A1 - Budzyńska, Agnieszka A1 - Goldyn, Ryszard A1 - Kozak, Anna A1 - Rosińska, Joanna A1 - Szeląg-Wasielewska, Elżbieta A1 - Domek, Piotr A1 - Jakubowska-Krepska, Natalia A1 - Kwasizur, Kinga A1 - Messyasz, Beata A1 - Pełechata, Aleksandra A1 - Pełechaty, Mariusz A1 - Kokocinski, Mikolaj A1 - García-Murcia, Ana A1 - Real, Monserrat A1 - Romans, Elvira A1 - Noguero-Ribes, Jordi A1 - Duque, David Parreño A1 - Fernández-Morán, Elísabeth A1 - Karakaya, Nusret A1 - Häggqvist, Kerstin A1 - Beklioğlu, Meryem A1 - Filiz, Nur A1 - Levi, Eti E. A1 - Iskin, Uğur A1 - Bezirci, Gizem A1 - Tavşanoğlu, Ülkü Nihan A1 - Özhan, Koray A1 - Gkelis, Spyros A1 - Panou, Manthos A1 - Fakioglu, Özden A1 - Avagianos, Christos A1 - Kaloudis, Triantafyllos A1 - Çelik, Kemal A1 - Yilmaz, Mete A1 - Marcé, Rafael A1 - Catalán, Nuria A1 - Bravo, Andrea G. A1 - Buck, Moritz A1 - Colom-Montero, William A1 - Mustonen, Kristiina A1 - Pierson, Don A1 - Yang, Yang A1 - Raposeiro, Pedro M. A1 - Gonçalves, Vítor A1 - Antoniou, Maria G. A1 - Tsiarta, Nikoletta A1 - McCarthy, Valerie A1 - Perello, Victor C. A1 - Feldmann, Tõnu A1 - Laas, Alo A1 - Panksep, Kristel A1 - Tuvikene, Lea A1 - Gagala, Ilona A1 - Mankiewicz-Boczek, Joana A1 - Yağcı, Meral Apaydın A1 - Çınar, Şakir A1 - Çapkın, Kadir A1 - Yağcı, Abdulkadir A1 - Cesur, Mehmet A1 - Bilgin, Fuat A1 - Bulut, Cafer A1 - Uysal, Rahmi A1 - Obertegger, Ulrike A1 - Boscaini, Adriano A1 - Flaim, Giovanna A1 - Salmaso, Nico A1 - Cerasino, Leonardo A1 - Richardson, Jessica A1 - Visser, Petra M. A1 - Verspagen, Jolanda M. H. A1 - Karan, Tünay A1 - Soylu, Elif Neyran A1 - Maraşlıoğlu, Faruk A1 - Napiórkowska-Krzebietke, Agnieszka A1 - Ochocka, Agnieszka A1 - Pasztaleniec, Agnieszka A1 - Antão-Geraldes, Ana M. A1 - Vasconcelos, Vitor A1 - Morais, João A1 - Vale, Micaela A1 - Köker, Latife A1 - Akçaalan, Reyhan A1 - Albay, Meriç A1 - Maronić, Dubravka Špoljarić A1 - Stević, Filip A1 - Pfeiffer, Tanja Žuna A1 - Fonvielle, Jeremy Andre A1 - Straile, Dietmar A1 - Rothhaupt, Karl-Otto A1 - Hansson, Lars-Anders A1 - Urrutia-Cordero, Pablo A1 - Bláha, Luděk A1 - Geriš, Rodan A1 - Fránková, Markéta A1 - Koçer, Mehmet Ali Turan A1 - Alp, Mehmet Tahir A1 - Remec-Rekar, Spela A1 - Elersek, Tina A1 - Triantis, Theodoros A1 - Zervou, Sevasti-Kiriaki A1 - Hiskia, Anastasia A1 - Haande, Sigrid A1 - Skjelbred, Birger A1 - Madrecka, Beata A1 - Nemova, Hana A1 - Drastichova, Iveta A1 - Chomova, Lucia A1 - Edwards, Christine A1 - Sevindik, Tuğba Ongun A1 - Tunca, Hatice A1 - Önem, Burçin A1 - Aleksovski, Boris A1 - Krstić, Svetislav A1 - Vucelić, Itana Bokan A1 - Nawrocka, Lidia A1 - Salmi, Pauliina A1 - Machado-Vieira, Danielle A1 - Oliveira, Alinne Gurjão De A1 - Delgado-Martín, Jordi A1 - García, David A1 - Cereijo, Jose Luís A1 - Gomà, Joan A1 - Trapote, Mari Carmen A1 - Vegas-Vilarrúbia, Teresa A1 - Obrador, Biel A1 - Grabowska, Magdalena A1 - Karpowicz, Maciej A1 - Chmura, Damian A1 - Úbeda, Bárbara A1 - Gálvez, José Ángel A1 - Özen, Arda A1 - Christoffersen, Kirsten Seestern A1 - Warming, Trine Perlt A1 - Kobos, Justyna A1 - Mazur-Marzec, Hanna A1 - Pérez-Martínez, Carmen A1 - Ramos-Rodríguez, Eloísa A1 - Arvola, Lauri A1 - Alcaraz-Párraga, Pablo A1 - Toporowska, Magdalena A1 - Pawlik-Skowronska, Barbara A1 - Niedźwiecki, Michał A1 - Pęczuła, Wojciech A1 - Leira, Manel A1 - Hernández, Armand A1 - Moreno-Ostos, Enrique A1 - Blanco, José María A1 - Rodríguez, Valeriano A1 - Montes-Pérez, Jorge Juan A1 - Palomino, Roberto L. A1 - Rodríguez-Pérez, Estela A1 - Carballeira, Rafael A1 - Camacho, Antonio A1 - Picazo, Antonio A1 - Rochera, Carlos A1 - Santamans, Anna C. A1 - Ferriol, Carmen A1 - Romo, Susana A1 - Soria, Juan Miguel A1 - Dunalska, Julita A1 - Sieńska, Justyna A1 - Szymański, Daniel A1 - Kruk, Marek A1 - Kostrzewska-Szlakowska, Iwona A1 - Jasser, Iwona A1 - Žutinić, Petar A1 - Udovič, Marija Gligora A1 - Plenković-Moraj, Anđelka A1 - Frąk, Magdalena A1 - Bańkowska-Sobczak, Agnieszka A1 - Wasilewicz, Michał A1 - Özkan, Korhan A1 - Maliaka, Valentini A1 - Kangro, Kersti A1 - Grossart, Hans-Peter A1 - Paerl, Hans W. A1 - Carey, Cayelan C. A1 - Ibelings, Bas W. T1 - Temperature effects explain continental scale distribution of cyanobacterial toxins T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Insight into how environmental change determines the production and distribution of cyanobacterial toxins is necessary for risk assessment. Management guidelines currently focus on hepatotoxins (microcystins). Increasing attention is given to other classes, such as neurotoxins (e.g., anatoxin-a) and cytotoxins (e.g., cylindrospermopsin) due to their potency. Most studies examine the relationship between individual toxin variants and environmental factors, such as nutrients, temperature and light. In summer 2015, we collected samples across Europe to investigate the effect of nutrient and temperature gradients on the variability of toxin production at a continental scale. Direct and indirect effects of temperature were the main drivers of the spatial distribution in the toxins produced by the cyanobacterial community, the toxin concentrations and toxin quota. Generalized linear models showed that a Toxin Diversity Index (TDI) increased with latitude, while it decreased with water stability. Increases in TDI were explained through a significant increase in toxin variants such as MC-YR, anatoxin and cylindrospermopsin, accompanied by a decreasing presence of MC-LR. While global warming continues, the direct and indirect effects of increased lake temperatures will drive changes in the distribution of cyanobacterial toxins in Europe, potentially promoting selection of a few highly toxic species or strains. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1105 KW - microcystin KW - anatoxin KW - cylindrospermopsin KW - temperature KW - direct effects KW - indirect effects KW - spatial distribution KW - European Multi Lake Survey Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427902 SN - 1866-8372 IS - 1105 ER - TY - THES A1 - Kettner, Marie Therese T1 - Microbial colonization of microplastic particles in aquatic systems T1 - Mikrobielle Besiedlung von Mikroplastik-Partikeln in aquatischen Systemen N2 - The continuously increasing pollution of aquatic environments with microplastics (plastic particles < 5 mm) is a global problem with potential implications for organisms of all trophic levels. For microorganisms, trillions of these floating microplastics particles represent a huge surface area for colonization. Due to the very low biodegradability, microplastics remain years to centuries in the environment and can be transported over thousands of kilometers together with the attached organisms. Since also pathogenic, invasive, or otherwise harmful species could be spread this way, it is essential to study microplastics-associated communities. For this doctoral thesis, eukaryotic communities were analyzed for the first time on microplastics in brackish environments and compared to communities in the surrounding water and on the natural substrate wood. With Illumina MiSeq high-throughput sequencing, more than 500 different eukaryotic taxa were detected on the microplastics samples. Among them were various green algae, dinoflagellates, ciliates, fungi, fungal-like protists and small metazoans such as nematodes and rotifers. The most abundant organisms was a dinoflagellate of the genus Pfiesteria, which could include fish pathogenic and bloom forming toxigenic species. Network analyses revealed that there were numerous interaction possibilities among prokaryotes and eukaryotes in microplastics biofilms. Eukaryotic community compositions on microplastics differed significantly from those on wood and in water, and compositions were additionally distinct among the sampling locations. Furthermore, the biodiversity was clearly lower on microplastics in comparison to the diversity on wood or in the surrounding water. In another experiment, a situation was simulated in which treated wastewater containing microplastics was introduced into a freshwater lake. With increasing microplastics concentrations, the resulting bacterial communities became more similar to those from the treated wastewater. Moreover, the abundance of integrase I increased together with rising concentrations of microplastics. Integrase I is often used as a marker for anthropogenic environmental pollution and is further linked to genes conferring, e.g., antibiotic resistance. This dissertation gives detailed insights into the complexity of prokaryotic and eukaryotic communities on microplastics in brackish and freshwater systems. Even though microplastics provide novel microhabitats for various microbes, they might also transport toxigenic, pathogenic, antibiotic-resistant or parasitic organisms; meaning their colonization can pose potential threats to humans and the environment. Finally, this thesis explains the urgent need for more research as well as for strategies to minimize the global microplastic pollution. N2 - Die stetig steigende Verschmutzung der Gewässer mit Mikroplastik (Plastikteilchen < 5 mm) ist ein weltweites Umweltproblem und wirkt sich potentiell auf Organismen aller trophischen Ebenen aus. Für Mikroorganismen stellen Billionen dieser schwimmenden Mikroplastik-partikel eine riesige Fläche zur Besiedlung dar. Aufgrund der sehr schlechten Abbaubarkeit verbleibt Mikroplastik Jahre bis Jahrhunderte in der Umwelt und kann samt der angehefteten Organismen über mehrere Tausend Kilometer weit transportiert werden. Da sich darüber auch pathogene, invasive oder anderweitig gefährliche Arten verbreiten könnten, ist es essentiell, die Mikroplastik-assoziierten Gemeinschaften zu untersuchen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden erstmals die eukaryotischen Gemeinschaften auf Mikroplastik in Brackwasser-Habitaten analysiert und mit Gemeinschaften aus dem umgebenden Wasser und auf dem natürlichen Substrat Holz verglichen. Mit Illumina MiSeq Hochdurchsatz-Sequenzierungs-Verfahren wurde ermittelt, dass über 500 verschiedene eukaryotische Taxa auf den Mikroplastikproben vorkamen. Dazu gehörten unterschiedliche Grünalgen, Dinoflagellaten, Ciliaten, Pilze, pilz-ähnliche Protisten und kleine Metazoen wie Fadenwürmer oder Rädertierchen. Am häufigsten kamen Dinoflagellaten der Gattung Pfiesteria vor, zu der möglicherweise fischpathogene und toxische Algenblüten-bildende Arten gehören könnten. Netzwerk-Analysen zeigten, dass es auf Mikroplastik eine Vielzahl von Interaktionsmöglichkeiten zwischen den vorhandenen Eukaryoten und Prokaryoten gibt. Die Zusammensetzungen der Eukaryoten-Gemeinschaften auf Mikroplastik unterschieden sich signifikant von jenen auf Holz und im umgebenden Wasser, aber auch zwischen den verschiedenen Probenahme-Standorten. Die Mikroplastikproben wiesen im Vergleich zu Wasser und Holz die geringste Biodiversität auf. In einem weiteren Experiment wurde simuliert, dass Mikroplastik-haltiges Wasser aus dem Ablauf einer Kläranlage in einen See eingeleitet wird. Bei hohen Mikroplastikkonzentrationen reicherten sich besonders Bakterien aus dem Kläranlagenablauf an. Zudem hatten die Bakteriengemeinschaften auf Mikroplastik ein signifikant erhöhtes Vorkommen eines bestimmten genetischen Markers (Integrase I), welcher auf anthropogene Umweltverschmutzung hindeutet, sowie mit Genen verknüpft ist, die z. B. Antibiotika-Resistenzen übertragen können. Die Versuchsergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen einerseits, wie komplex und vielseitig das mikrobielle Leben auf Mikroplastik sein kann, andererseits könnten diese Partikel aber auch Transportvehikel für toxische, pathogene, antibiotika-resistente oder parasitäre Organismen darstellen. Somit birgt ihre Besiedlung potentielle Gefahren für Mensch und Umwelt. Darüber hinaus weist diese Arbeit auf dringenden Forschungsbedarf hin und verdeutlicht die Notwendigkeit der Eindämmung der globalen Mikroplastik-Verschmutzung. KW - microplastics KW - eukaryotes KW - sequencing KW - fungi KW - biofilm KW - biodiversity KW - Biodiversität KW - Biofilm KW - Eukaryoten KW - Pilze KW - Mikroplastik KW - Sequenzierung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418854 ER - TY - THES A1 - Arias Andrés, María de Jesús T1 - Microbial gene exchange on microplastic particles T1 - Mikrobieller Gentransfer auf Mikroplastikpartikel N2 - Plastic pollution is ubiquitous on the planet since several millions of tons of plastic waste enter aquatic ecosystems each year. Furthermore, the amount of plastic produced is expected to increase exponentially shortly. The heterogeneity of materials, additives and physical characteristics of plastics are typical of these emerging contaminants and affect their environmental fate in marine and freshwaters. Consequently, plastics can be found in the water column, sediments or littoral habitats of all aquatic ecosystems. Most of this plastic debris will fragment as a product of physical, chemical and biological forces, producing particles of small size. These particles (< 5mm) are known as “microplastics” (MP). Given their high surface-to-volume ratio, MP stimulate biofouling and the formation of biofilms in aquatic systems. As a result of their unique structure and composition, the microbial communities in MP biofilms are referred to as the “Plastisphere.” While there is increasing data regarding the distinctive composition and structure of the microbial communities that form part of the plastisphere, scarce information exists regarding the activity of microorganisms in MP biofilms. This surface-attached lifestyle is often associated with the increase in horizontal gene transfer (HGT) among bacteria. Therefore, this type of microbial activity represents a relevant function worth to be analyzed in MP biofilms. The horizontal exchange of mobile genetic elements (MGEs) is an essential feature of bacteria. It accounts for the rapid evolution of these prokaryotes and their adaptation to a wide variety of environments. The process of HGT is also crucial for spreading antibiotic resistance and for the evolution of pathogens, as many MGEs are known to contain antibiotic resistance genes (ARGs) and genetic determinants of pathogenicity. In general, the research presented in this Ph.D. thesis focuses on the analysis of HGT and heterotrophic activity in MP biofilms in aquatic ecosystems. The primary objective was to analyze the potential of gene exchange between MP bacterial communities vs. that of the surrounding water, including bacteria from natural aggregates. Moreover, the thesis addressed the potential of MP biofilms for the proliferation of biohazardous bacteria and MGEs from wastewater treatment plants (WWTPs) and associated with antibiotic resistance. Finally, it seeks to prove if the physiological profile of MP biofilms under different limnological conditions is divergent from that of the water communities. Accordingly, the thesis is composed of three independent studies published in peer-reviewed journals. The two laboratory studies were performed using both model and environmental microbial communities. In the field experiment, natural communities from freshwater ecosystems were examined. In Chapter I, the inflow of treated wastewater into a temperate lake was simulated with a concentration gradient of MP particles. The effects of MP on the microbial community structure and the occurrence of integrase 1 (int 1) were followed. The int 1 is a marker associated with mobile genetic elements and known as a proxy for anthropogenic effects on the spread of antimicrobial resistance genes. During the experiment, the abundance of int1 increased in the plastisphere with increasing MP particle concentration, but not in the surrounding water. In addition, the microbial community on MP was more similar to the original wastewater community with increasing microplastic concentrations. Our results show that microplastic particles indeed promote persistence of standard indicators of microbial anthropogenic pollution in natural waters. In Chapter II, the experiments aimed to compare the permissiveness of aquatic bacteria towards model antibiotic resistance plasmid pKJK5, between communities that form biofilms on MP vs. those that are free-living. The frequency of plasmid transfer in bacteria associated with MP was higher when compared to bacteria that are free-living or in natural aggregates. Moreover, comparison increased gene exchange occurred in a broad range of phylogenetically-diverse bacteria. The results indicate a different activity of HGT in MP biofilms, which could affect the ecology of aquatic microbial communities on a global scale and the spread of antibiotic resistance. Finally, in Chapter III, physiological measurements were performed to assess whether microorganisms on MP had a different functional diversity from those in water. General heterotrophic activity such as oxygen consumption was compared in microcosm assays with and without MP, while diversity and richness of heterotrophic activities were calculated by using Biolog® EcoPlates. Three lakes with different nutrient statuses presented differences in MP-associated biomass build up. Functional diversity profiles of MP biofilms in all lakes differed from those of the communities in the surrounding water, but only in the oligo-mesotrophic lake MP biofilms had a higher functional richness compared to the ambient water. The results support that MP surfaces act as new niches for aquatic microorganisms and can affect global carbon dynamics of pelagic environments. Overall, the experimental works presented in Chapters I and II support a scenario where MP pollution affects HGT dynamics among aquatic bacteria. Among the consequences of this alteration is an increase in the mobilization and transfer efficiency of ARGs. Moreover, it supposes that changes in HGT can affect the evolution of bacteria and the processing of organic matter, leading to different catabolic profiles such as demonstrated in Chapter III. The results are discussed in the context of the fate and magnitude of plastic pollution and the importance of HGT for bacterial evolution and the microbial loop, i.e., at the base of aquatic food webs. The thesis supports a relevant role of MP biofilm communities for the changes observed in the aquatic microbiome as a product of intense human intervention. N2 - Die Plastikverschmutzung ist auf dem Planeten allgegenwärtig, da jährlich mehrere Millionen Tonnen Plastikabfall in die aquatische Ökosystemen gelangen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Menge an produziertem Plastik in naher Zukunft exponentiell ansteigen wird. Die Heterogenität der Kunststoffmaterialien, ihrer Additive und physikalischen Eigenschaften ist typisch für diese neu auftretenden Schadstoffe und beeinflusst deren Umweltverhalten in Meeres- und Süßwasser. Als Folge kann Plastik in der Wassersäule, den Sedimenten oder Küstenlebensräumen aller aquatischen Ökosysteme gefunden werden. Die meisten dieser Plastikabfälle fragmentieren durch das Zusammenspiel physikalischer, chemischer und biologischer Kräfte, wodurch kleine Partikel erzeugt werden. Diese Partikel (<5mm) sind auch bekannt als "Mikroplastik" (MP). Aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses stimuliert MP das Biofouling und somit die Bildung von Biofilmen in aquatischen Systemen. Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Zusammensetzung werden die mikrobiellen Gemeinschaften in MP-Biofilmen als "Plastisphäre" bezeichnet. Während es immer mehr Daten über die spezifische Zusammensetzung und Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften – die Teil dieser Plastisphäre sind – gibt, existieren hingegen nur wenige Informationen über die Aktivität von Mikroorganismen in MP-Biofilmen. Dieser Lebensstil des Anheftens und Besiedelns von Oberflächen ist oft mit der Zunahme von horizontalem Gentransfer (HGT) unter Bakterien verknüpft. Diese Art der mikrobiellen Aktivität stellt eine besonders relevante Funktion dar und sollte daher in MP-Biofilmen analysiert werden. Der horizontale Austausch von mobilen genetischen Elementen (MGEs) ist ein wesentliches Merkmal von Bakterien. Er ist verantwortlich für die schnelle Evolution dieser Prokaryoten und ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedenste Umweltbedingungen. Der Prozess des HGT ist zudem entscheidend für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen sowie für die Entwicklung von Pathogenen, da viele MGEs bekanntermaßen Antibiotikaresistenzgene (ARGs) und genetische Determinanten für Pathogenität enthalten. Im Allgemeinen konzentriert sich die Forschung in der vorliegenden Dissertation auf die Analyse des HGT und der heterotrophen Aktivität in MP-Biofilmen in aquatischen Ökosystemen. Das Hauptziel besteht darin, das Potenzial des Genaustausches zwischen MP-Bakteriengemeinschaften und dem des umgebenden Wassers, einschließlich der Bakterien in natürlichen Aggregaten, zu analysieren. Darüber hinaus befasst sich diese Doktorarbeit mit dem Potenzial von MP-Biofilmen zur Ausbreitung biologisch gefährlicher Bakterien und MGEs, die aus Kläranlagen stammen und mit Antibiotikaresistenzen assoziiert sind. Schließlich soll bei verschiedenen limnologischen Bedingungen überprüft werden, ob das jeweilige physiologische Profil von MP-Biofilmen von dem der Wassergemeinschaften abweicht. Dementsprechend besteht die Arbeit aus drei unabhängigen Studien, die in Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. In den beiden Laborstudien wurden sowohl mikrobielle Modell- als auch Umwelt-Gemeinschaften betrachtet. Im Freilandexperiment wurden schließlich die natürlichen Gemeinschaften aus Süßwasserökosystemen untersucht. In Kapitel I wurde der Zufluss von geklärtem Abwasser mit einem Konzentrationsgradienten von MP-Partikeln in einen See der gemäßigten Klimazone simuliert. Dabei wurden die Effekte von MP auf die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur und das Auftreten von Integrase 1 (int 1) verfolgt. Int 1 ist ein Marker, der mit mobilen genetischen Elementen assoziiert ist und zur Abschätzung anthropogener Einflüsse auf die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzgene verwendet ist. Während des Experiments erhöhte sich das Vorkommen von Int1 in der Plastisphäre mit zunehmender MP-Partikelkonzentration, jedoch nicht im umgebenden Wasser. Darüber hinaus ähnelte die mikrobielle Gemeinschaft auf MP zunehmend der ursprünglichen Abwassergemeinschaft mit steigender Mikroplastikkonzentration. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mikroplastikpartikel tatsächlich die Persistenz von Standardindikatoren mikrobieller anthropogener Verschmutzung in natürlichen Gewässern fördern. In Kapitel II wurde die Permissivität von aquatischen Bakterien gegen das Modell-Plasmid für Antibiotikaresistenz pKJK5 zwischen Gemeinschaften, die Biofilme auf MP bilden, gegenüber denen, die frei leben, verglichen. Die Häufigkeit des Plasmidtransfers unter den MP-assoziierten Bakterien war höher als unter Bakterien, die frei oder in natürlichen Aggregaten leben. Der verstärkte Genaustausch trat darüber hinaus bei einem breiten Spektrum phylogenetisch diverser Bakterien auf. Die Ergebnisse deuten auf eine unterschiedliche Aktivität von HGT in MP-Biofilmen hin, welche die Ökologie aquatischer mikrobieller Gemeinschaften auf globaler Ebene sowie die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beeinflussen könnten. Schließlich wurden in Kapitel III physiologische Messungen durchgeführt, um festzustellen, ob Mikroorganismen auf MP eine andere funktionelle Diversität aufwiesen als jene im Wasser. Die generelle heterotrophe Aktivität, wie der Sauerstoffverbrauch, wurde in Mikrokosmentests mit und ohne MP verglichen, während die Diversität und Vielfalt heterotropher Aktivitäten mit Hilfe von Biolog® EcoPlates berechnet wurden. Drei Seen mit unterschiedlichen Nährstoffbedingungen wiesen Unterschiede in der Ausprägung der MP-assoziierten Biomasse auf. In allen Seen unterschieden sich die funktionellen Diversitätsprofile der MP-Biofilme von denen der Gemeinschaften im umgebenden Wasser, aber nur die MP-Biofilme des oligo-mesotrophen Sees hatten eine höhere funktionelle Vielfalt im Verglichen zum Umgebungswasser. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass MP-Oberflächen als neue Nischen für aquatische Mikroorganismen fungieren und die globale Kohlenstoffdynamik im Pelagial beeinflussen können. Insgesamt unterstützen die in den Kapiteln I und II vorgestellten experimentellen Studien ein Szenario, in dem die Umweltverschmutzung durch MP die HGT-Dynamik zwischen aquatischen Bakterien beeinflusst. Zu den Folgen dieser Veränderung gehört eine Erhöhung der Mobilisierungs- und Übertragungseffizienz von ARGs. Darüber hinaus wird vermutet, dass eine Beeinflussung des HGT die Evolution von Bakterien und die Umsetzung von organischem Material verändern könnte, was zu verschiedenen katabolischen Profilen führt, wie in Kapitel III gezeigt. Die Ergebnisse werden in Zusammenhang mit dem Ausmaß der Plastikverschmutzung sowie der Bedeutung von HGT für die bakterielle Entwicklung und „mikrobielle Schleife“, d. h. an der Basis der aquatischen Nahrungsnetze, diskutiert. Diese Doktorarbeit veranschaulicht die Bedeutung von MP-Biofilmgemeinschaften für die beobachteten Veränderungen des aquatischen Mikrobioms als eine Folge der intensiven anthropogenen Eingriffe. KW - microplastics KW - horizontal gene transfer KW - aquatic ecosystem KW - microorganisms KW - Mikroplastikpartikel KW - horizontaler Gentransfer KW - aquatische Ökosysteme KW - Mikroorganismen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417241 ER - TY - THES A1 - Fabian, Jenny T1 - Effects of algae on microbial carbon cycling in freshwaters BT - with focus on the utilization of leaf carbon by heterotrophic bacteria and fungi N2 - Microbial processing of organic matter (OM) in the freshwater biosphere is a key component of global biogeochemical cycles. Freshwaters receive and process valuable amounts of leaf OM from their terrestrial landscape. These terrestrial subsidies provide an essential source of energy and nutrients to the aquatic environment as a function of heterotrophic processing by fungi and bacteria. Particularly in freshwaters with low in-situ primary production from algae (microalgae, cyanobacteria), microbial turnover of leaf OM significantly contributes to the productivity and functioning of freshwater ecosystems and not least their contribution to global carbon cycling. Based on differences in their chemical composition, it is believed that leaf OM is less bioavailable to microbial heterotrophs than OM photosynthetically produced by algae. Especially particulate leaf OM, consisting predominantly of structurally complex and aromatic polymers, is assumed highly resistant to enzymatic breakdown by microbial heterotrophs. However, recent research has demonstrated that OM produced by algae promotes the heterotrophic breakdown of leaf OM in aquatic ecosystems, with profound consequences for the metabolism of leaf carbon (C) within microbial food webs. In my thesis, I aimed at investigating the underlying mechanisms of this so called priming effect of algal OM on the use of leaf C in natural microbial communities, focusing on fungi and bacteria. The works of my thesis underline that algal OM provides highly bioavailable compounds to the microbial community that are quickly assimilated by bacteria (Paper II). The substrate composition of OM pools determines the proportion of fungi and bacteria within the microbial community (Paper I). Thereby, the fraction of algae OM in the aquatic OM pool stimulates the activity and hence contribution of bacterial communities to leaf C turnover by providing an essential energy and nutrient source for the assimilation of the structural complex leaf OM substrate. On the contrary, the assimilation of algal OM remains limited for fungal communities as a function of nutrient competition between fungi and bacteria (Paper I, II). In addition, results provide evidence that environmental conditions determine the strength of interactions between microalgae and heterotrophic bacteria during leaf OM decomposition (Paper I, III). However, the stimulatory effect of algal photoautotrophic activities on leaf C turnover remained significant even under highly dynamic environmental conditions, highlighting their functional role for ecosystem processes (Paper III). The results of my thesis provide insights into the mechanisms by which algae affect the microbial turnover of leaf C in freshwaters. This in turn contributes to a better understanding of the function of algae in freshwater biogeochemical cycles, especially with regard to their interaction with the heterotrophic community. N2 - Die mikrobielle Verarbeitung von organischer Biomasse in Süßwasser nimmt eine fundamentale Rolle in den globalen biogeochemischen Nährstoffkreisläufen ein. Ein Großteil der organischen Biomasse gelangt aus der terrestrischen Umgebung, insbesondere aus dem Blattlaubeintrag, in die Gewässer und stellt eine wesentliche Energie- und Nährstoffquelle für die aquatische Umwelt dar. In die aquatischen Nahrungsnetze gelangt das terrestrische Material vorwiegend durch mikrobielle Umsatzprozesse, an denen vor allem heterotrophe Bakterien und Pilze beteiligt sind. Der mikrobielle Umsatz von Blattlaub kann die biogeochemischen Prozesse aquatischer Ökosysteme signifikant beeinflussen und nicht zuletzt deren Beitrag zum globalen Kohlenstoffkreislauf. Das gilt insbesondere für Gewässer, in denen die in-situ Produktion organischer Biomasse durch aquatische Algen sehr gering ist. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung wird angenommen, dass Blattbiomasse für die mikrobielle Gemeinschaft schlechter abbaubar und damit weniger bioverfügbar ist als photosynthetisch produziert Biomasse durch Algen. Das gilt insbesondere für das partikuläre Blattmaterial, welches vorwiegend aus strukturell komplexen und aromatischen Polymeren besteht. Neue Forschungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass Algen den enzymatischen Abbau von Blattmaterial stimulieren (Priming Effekt), und den Umsatz von Blattkohlenstoff innerhalb des mikrobiellen Nahrungsnetzes signifikant beeinflussen. In meiner Doktorarbeit habe ich die zugrundeliegenden Mechanismen dieses Priming Effekts von Algenbiomasse auf die mikrobiellen Umsatzprozesse von Blattkohlenstoff innerhalb natürlicher mikrobieller Gemeinschaften untersucht. Der Fokus lag dabei vor allem auf aquatische Pilz- und Bakteriengemeinschaften. Die von mir erbrachten Arbeiten verifizieren, dass Algenbiomasse für die mikrobielle Gemeinschaft teilweise hoch verfügbar ist (Studie II). Meine Arbeiten unterstreichen jedoch, dass Algenbiomasse vor allem von Bakterien assimiliert wird und deren Beitrag zum mikrobiellen Blattumsatz stimuliert. Die Bakteriengemeinschaft erhält über das Algenmaterial vermutlich essentielle Energie- und Nährstoffquellen, die ihnen die Assimilation des strukturell komplexen Blattkohlenstoffs erleichtert. Im Gegensatz dazu scheint die Pilzgemeinschaft das Algenmaterial nicht direkt nutzen zu können, vermutlich bedingt durch deren schwache Konkurrenz mit Bakterien um das Algensubstrat (Studie I, II). Darüber hinaus liefern die Ergebnisse einer weiteren Studie Hinweise darauf, dass Umweltbedingungen die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Algen und heterotrophen Bakterien während der Zersetzung der Blattbiomasse bestimmen (Studie I, III). Die stimulierende Wirkung der photoautotrophen Algenaktivität auf den Blattkohlenstoff Umsatz blieb jedoch selbst unter hochdynamischen Umweltbedingungen signifikant, was ihre funktionelle Rolle für Ökosystemprozesse unterstreicht (Studie III). Die Ergebnisse aus den Arbeiten meiner Promotion geben Einblicke in die Mechanismen des mikrobiellen aquatischen Blattabbaus und welche funktionelle Rolle Algen hierbei haben. Das trägt zu einem besseren Verständnis der Funktion von Algen in den biogeochemischen Kreisläufen der Süßgewässer bei, insbesondere mit Hinblick auf die Interaktion der heterotrophen Gemeinschaft mit Algenbiomasse. KW - stable isotope tracer KW - organic matter KW - microbial carbon turnover KW - microbial interactions KW - stabile Isotope Tracer KW - organisches Material KW - mikrobieller Kohlenstoffkreislauf KW - mikrobielle Interaktionen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422225 ER - TY - GEN A1 - Bálint, Miklós A1 - Márton, Orsolya A1 - Schatz, Marlene A1 - Düring, Rolf-Alexander A1 - Grossart, Hans-Peter T1 - Proper experimental design requires randomization/balancing of molecular ecology experiments T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Properly designed (randomized and/or balanced) experiments are standard in ecological research. Molecular methods are increasingly used in ecology, but studies generally do not report the detailed design of sample processing in the laboratory. This may strongly influence the interpretability of results if the laboratory procedures do not account for the confounding effects of unexpected laboratory events. We demonstrate this with a simple experiment where unexpected differences in laboratory processing of samples would have biased results if randomization in DNA extraction and PCR steps do not provide safeguards. We emphasize the need for proper experimental design and reporting of the laboratory phase of molecular ecology research to ensure the reliability and interpretability of results. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 616 KW - batch effect KW - bias KW - DNA extraction KW - environmental DNA KW - laboratory practice KW - lake community KW - metabarcoding KW - nondemonic intrusions KW - PCR KW - sediment Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423878 SN - 1866-8372 IS - 616 ER - TY - GEN A1 - Kruse, Stefan A1 - Gerdes, Alexander A1 - Kath, Nadja J. A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Implementing spatially explicit wind-driven seed and pollen dispersal in the individual-based larch simulation model BT - LAVESI-WIND 1.0 T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - It is of major interest to estimate the feedback of arctic ecosystems to the global warming we expect in upcoming decades. The speed of this response is driven by the potential of species to migrate, tracking their climate optimum. For this, sessile plants have to produce and disperse seeds to newly available habitats, and pollination of ovules is needed for the seeds to be viable. These two processes are also the vectors that pass genetic information through a population. A restricted exchange among subpopulations might lead to a maladapted population due to diversity losses. Hence, a realistic implementation of these dispersal processes into a simulation model would allow an assessment of the importance of diversity for the migration of plant species in various environments worldwide. To date, dynamic global vegetation models have been optimized for a global application and overestimate the migration of biome shifts in currently warming temperatures. We hypothesize that this is caused by neglecting important fine-scale processes, which are necessary to estimate realistic vegetation trajectories. Recently, we built and parameterized a simulation model LAVESI for larches that dominate the latitudinal treelines in the northernmost areas of Siberia. In this study, we updated the vegetation model by including seed and pollen dispersal driven by wind speed and direction. The seed dispersal is modelled as a ballistic flight, and for the pollination of ovules of seeds produced, we implemented a wind-determined and distance-dependent probability distribution function using a von Mises distribution to select the pollen donor. A local sensitivity analysis of both processes supported the robustness of the model's results to the parameterization, although it highlighted the importance of recruitment and seed dispersal traits for migration rates. This individual-based and spatially explicit implementation of both dispersal processes makes it easily feasible to inherit plant traits and genetic information to assess the impact of migration processes on the genetics. Finally, we suggest how the final model can be applied to substantially help in unveiling the important drivers of migration dynamics and, with this, guide the improvement of recent global vegetation models. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 929 KW - long-distance dispersal KW - climate-change KW - genetic-structure KW - plant migration KW - larix-sibirica KW - DNA variation KW - large-scale KW - vegetation KW - landscape KW - future Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445978 SN - 1866-8372 IS - 929 SP - 4451 EP - 4467 ER - TY - GEN A1 - Schaefer, Laura A1 - Bittmann, Frank T1 - Coherent behavior of neuromuscular oscillations between isometrically interacting subjects BT - experimental study utilizing wavelet coherence analysis of mechanomyographic and mechanotendographic signals T2 - Postprints der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe N2 - Previous research has shown that electrical muscle activity is able to synchronize between muscles of one subject. The ability to synchronize the mechanical muscle oscillations measured by Mechanomyography (MMG) is not described sufficiently. Likewise, the behavior of myofascial oscillations was not considered yet during muscular interaction of two human subjects. The purpose of this study is to investigate the myofascial oscillations intra- and interpersonally. For this the mechanical muscle oscillations of the triceps and the abdominal external oblique muscles were measured by MMG and the triceps tendon was measured by mechanotendography (MTG) during isometric interaction of two subjects (n = 20) performed at 80% of the MVC using their arm extensors. The coherence of MMG/MTG-signals was analyzed with coherence wavelet transform and was compared with randomly matched signal pairs. Each signal pairing shows significant coherent behavior. Averagely, the coherent phases of n = 485 real pairings last over 82 ± 39 % of the total duration time of the isometric interaction. Coherent phases of randomly matched signal pairs take 21 ± 12 % of the total duration time (n = 39). The difference between real vs. randomly matched pairs is significant (U = 113.0, p = 0.000, r = 0.73). The results show that the neuromuscular system seems to be able to synchronize to another neuromuscular system during muscular interaction and generate a coherent behavior of the mechanical muscular oscillations. Potential explanatory approaches are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe - 480 KW - motor unit synchronization KW - muscle KW - task KW - contractions KW - humans KW - magnetoencephalography KW - systems KW - power KW - hand KW - time Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419864 IS - 480 ER - TY - GEN A1 - Wippert, Pia-Maria A1 - Puschmann, Anne-Katrin A1 - Arampatzis, Adamantios A1 - Schiltenwolf, Marcus A1 - Mayer, Frank T1 - Diagnosis of psychosocial risk factors in prevention of low back pain in athletes (MiSpEx) N2 - Background Low back pain (LBP) is a common pain syndrome in athletes, responsible for 28% of missed training days/year. Psychosocial factors contribute to chronic pain development. This study aims to investigate the transferability of psychosocial screening tools developed in the general population to athletes and to define athlete-specific thresholds. Methods Data from a prospective multicentre study on LBP were collected at baseline and 1-year follow-up (n=52 athletes, n=289 recreational athletes and n=246 non-athletes). Pain was assessed using the Chronic Pain Grade questionnaire. The psychosocial Risk Stratification Index (RSI) was used to obtain prognostic information regarding the risk of chronic LBP (CLBP). Individual psychosocial risk profile was gained with the Risk Prevention Index – Social (RPI-S). Differences between groups were calculated using general linear models and planned contrasts. Discrimination thresholds for athletes were defined with receiver operating characteristics (ROC) curves. Results Athletes and recreational athletes showed significantly lower psychosocial risk profiles and prognostic risk for CLBP than non-athletes. ROC curves suggested discrimination thresholds for athletes were different compared with non-athletes. Both screenings demonstrated very good sensitivity (RSI=100%; RPI-S: 75%–100%) and specificity (RSI: 76%–93%; RPI-S: 71%–93%). RSI revealed two risk classes for pain intensity (area under the curve (AUC) 0.92(95% CI 0.85 to 1.0)) and pain disability (AUC 0.88(95% CI 0.71 to 1.0)). Conclusions Both screening tools can be used for athletes. Athlete-specific thresholds will improve physicians’ decision making and allow stratified treatment and prevention. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe - 376 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407391 SN - 1866-8364 ER - TY - GEN A1 - Mayer, Martin A1 - Ullmann, Wiebke A1 - Sunde, Peter A1 - Fischer, Christina A1 - Blaum, Niels T1 - Habitat selection by the European hare in arable landscapes BT - the importance of small‐scale habitat structure for conservation T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Agricultural land‐use practices have intensified over the last decades, leading to population declines of various farmland species, including the European hare (Lepus europaeus). In many European countries, arable fields dominate agricultural landscapes. Compared to pastures, arable land is highly variable, resulting in a large spatial variation of food and cover for wildlife over the course of the year, which potentially affects habitat selection by hares. Here, we investigated within‐home‐range habitat selection by hares in arable areas in Denmark and Germany to identify habitat requirements for their conservation. We hypothesized that hare habitat selection would depend on local habitat structure, that is, vegetation height, but also on agricultural field size, vegetation type, and proximity to field edges. Active hares generally selected for short vegetation (1–25 cm) and avoided higher vegetation and bare ground, especially when fields were comparatively larger. Vegetation >50 cm potentially restricts hares from entering parts of their home range and does not provide good forage, the latter also being the case on bare ground. The vegetation type was important for habitat selection by inactive hares, with fabaceae, fallow, and maize being selected for, potentially providing both cover and forage. Our results indicate that patches of shorter vegetation could improve the forage quality and habitat accessibility for hares, especially in areas with large monocultures. Thus, policymakers should aim to increase areas with short vegetation throughout the year. Further, permanent set‐asides, like fallow and wildflower areas, would provide year‐round cover for inactive hares. Finally, the reduction in field sizes would increase the density of field margins, and farming different crop types within small areas could improve the habitat for hares and other farmland species. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1076 KW - agriculture KW - arable land KW - conservation KW - GPS KW - habitat selection KW - Lepus europaeus KW - vegetation height Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-467891 SN - 1866-8372 IS - 1076 ER - TY - GEN A1 - Walther, Sophia A1 - Guanter, Luis A1 - Heim, Birgit A1 - Jung, Martin A1 - Duveiller, Gregory A1 - Wolanin, Aleksandra A1 - Sachs, Torsten T1 - Assessing the dynamics of vegetation productivity in circumpolar regions with different satellite indicators of greenness and photosynthesis T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - High-latitude treeless ecosystems represent spatially highly heterogeneous landscapes with small net carbon fluxes and a short growing season. Reliable observations and process understanding are critical for projections of the carbon balance of the climate-sensitive tundra. Space-borne remote sensing is the only tool to obtain spatially continuous and temporally resolved information on vegetation greenness and activity in remote circumpolar areas. However, confounding effects from persistent clouds, low sun elevation angles, numerous lakes, widespread surface inundation, and the sparseness of the vegetation render it highly challenging. Here, we conduct an extensive analysis of the timing of peak vegetation productivity as shown by satellite observations of complementary indicators of plant greenness and photosynthesis. We choose to focus on productivity during the peak of the growing season, as it importantly affects the total annual carbon uptake. The suite of indicators are as follows: (1) MODIS-based vegetation indices (VIs) as proxies for the fraction of incident photosynthetically active radiation (PAR) that is absorbed (fPAR), (2) VIs combined with estimates of PAR as a proxy of the total absorbed radiation (APAR), (3) sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF) serving as a proxy for photosynthesis, (4) vegetation optical depth (VOD), indicative of total water content and (5) empirically upscaled modelled gross primary productivity (GPP). Averaged over the pan-Arctic we find a clear order of the annual peak as APAR ≦ GPP1000 vs. <100 landings performed in the past 10 years) and gender. Differences of αFLEX[LS-PV] and muscular pre-activity between contrasted subject groups as between landing tasks were equally statistically tested by three-way mixed ANOVA with Post-hoc tests. Associations between αFLEX[LS-PV] and muscular pre-activity were factor-specifically assessed by Spearman’s rank order correlation coefficient (rS). Complementarily, muscular pre-activity was subdivided by landing phases [DROP, IMPACT] and discretely assessed for phase specific associations to αFLEX[LS-PV]. Each muscular activity was moreover pairwise compared between DROP and IMPACT (Mean ±SD, Dependent Samples T-test). RESULTS: αMAX was presented with overall high variability within test-days (CV =36%). Lowest intra-individual variability and highest reproducibility of αMAX between test-days was shown in flexion of the spine. αFLEX[LS-PV] showed largely consistent sig. higher magnitudes compared to αMAX presented in more cranial spinal joints and other motion planes. αFLEX[LS-PV] moreover gradually increased with escalations in landing heights. Landing unfamiliar subjects presented sig. higher αFLEX[LS-PV] in contrast to landing familiar ones (p=.016). M. Obliquus Int. with M. Transversus Abd. (66 ±32%MVC) and M. Erector Spinae (47 ±15%MVC) presented maredly highest activity in contrast to lowest activity of M. Rectus Abd. (10 ±4%MVC). Landing unfamiliar subjects showed compared to landing familiar ones sig. higher activity of M. Obliquus Ext. (17 ±8%MVC, 12 ±7%MVC, p= .044). M. Obliquus Ext. and its co-contraction ratio with M. Erector Spinae moreover exhibited low but sig. positive correlations to αFLEX[LS-PV] (rs=.39, rs=.31). Each trunk muscule distributed larger shares of its activity to DROP, whereas peak activations of most muscles emerged in the proportionally shorter IMPACT phase. Commonly increased muscular pre-activation particularly at IMPACT was found in landings with a contrived follow up jump and in female subjects, whereby αFLEX[LS-PV] was hereof only marginally affected. DISCUSSION: Highest spine segmental angular accelerations in drop landings emerge in sagittal flexion of the lumbar spine. The compensatory stabilisation of the spine appears to be preponderantly provided by a dorso-ventral co-contraction of M. Obliquus Int., M. Transversus Abd. and M. Erector Spinae. Elevated pre-activity of M. Obliquuis Ext. supposably characterises poor landing experience, which might engender increased bending loads to the lumbar spine. A pervasive large variability of spinal angular accelerations measured across all landing types, suggests a multifarious utilisation of diverse mechanisms compensating for spinal impacts in landing performances. A standardised assessment and valid evaluation of landing evoked lumbar bending loads is hereof largley confined. CONCLUSION: Drop landings elicit most strenuous lumbo-pelvic flexion accelerations, which can be appraised as representatives for high energetic bending loads to the spine. Such entail the highest risk to overload the spinal tissue, when landing demands exceed the individual’s landing skill. Previous landing experience and training appears to effectively improve muscular spine stabilisation pattern, diminishing spinal bending loads. N2 - HINTERGRUND: Wirbelsäulenbelastungen in Alltagssituationen und während sportlicher Belastung kommt eine hohe Bedeutung mit Blick auf die Entstehung und das Weiterbestehen von akuten und chronischen Rückenbeschwerden zu. Kritisch hohe Wirbelsäulenbelastungen werden bei Sprunglandungen angenommen, während hierzu hochintensive exzentrische Belastungen bislang lediglich für anatomische Strukturen der unteren Extremität nachgewiesen wurden. Vorangegangene klinische Studien konnten zeigen, dass repetitive Landungsstöße sowohl eine strukturelle Anpassung, als auch morphologische Schäden der Lendenwirbelkörper hervorrufen können. Valide Ursachen für diese Beobachtungen sind bislang wissenschaftich nicht abschließend belegt, insbesondere da der experimentelle Nachweis für die hierin vermuteten tatsächlichen Wirbelsäulenbelastungen fehlt. Darüber hinaus ist nicht geklärt in wieweit die physiologisch kompensatorische Aktivierung der Rumpfmuskuatur Einfluß auf die Wirbelsäulenbelastung bei Landungen nehmen, und wie stark Landungs- und Personencharakteristika die Rumpfaktivierung und Lendenwirbel-säulenbeastungen beeinflussen. ZIELSETZUNGEN: Ziele der Untersuchungen sind 1. die Lokalisierung und Quantifizierung von Biegebelastungen der Wirbelsäule unter verschiedenen Landungsbedingungen und 2. die Identifizierung muskulärer Kompensations-mechanismen des Rumpfes, welche das Belastungsausmaß an der Wirbelsäule möglicherweise modulieren. Hierzu wurden drei Hypothesen (H1 – H3) formuliert. In H1 wird postuliert, dass Biegebelastungen in einzelnen Bewegungsebenen der Wirbelsäule als maximale Winkelbeschleunigungen zwischen Wirbelsegmenten, auf der Basis kinematischer Daten, valide und reliabel abgeleitet und evaluiert werden können. In H2 wird angenommen, dass bei vertikalen Sprunglandungen die höchsten Wirbelsäulenbelastungen in der sagittalen Beugung der Lendenwirbelsäule auftreten. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Hypothesen soll eine Folgestudie die Annahme (H3) belegen, dass Landungsbedingungen, wie Vorerfahrungen mit Sprunglandungen, Geschlecht, sowie die Absicht zu unmittelbaren Anschlussbewegungen, die auftretenden Lendenwirbelsäulenbelastungen beeinflussen. Hierzu wird postuliert, dass auftretende Biegebelastungen, in Abhängigkeit obiger Landungsbedingungen, auf einen unterschiedlichen Einsatz von vorwiegend konditionierten muskulären Kompensationsmechanismen des Rumpfes zurückzuführen sind. METHODE: Zur Überprüfung der Hypothesen wurden zwei sukzessive Studien durchgeführt. In STUDIE 1 wurden, zur Repräsentation von Wirbelsäulenbiegebelastungen, 17 Probanden wiederholt bei verschiedenen Landungen (15, 30, 45, 60cm Höhe; einbeinig, beidbeinig, verblindet, beim Fangen eines Balles) in einem Test-Retest-Design gemessen. Hierin wurden individuelle maximale Winkelbeschleunigungen [αMAX] aus drei-dimensionalen Bewegungs-daten zwischen insgesamt 4 Rumpfsegmenten (oberes thorakales-, unteres thorakales-, Lendenwirbelsäulen-, und Becken-Segment) abgeleitet. αMAX wurde hierbei jeweils im Gelenk zwischen zwei benachbarten Segmenten in Flexion, Lateralflexion und Rotation erfasst. Die Reliabilität von αMAX innerhalb und zwischen den Messtagen wurde mittels CV%, ICC 2.1, TRV%, und Bland & Altman Analyse (BIAS±LoA) quantifiziert. In Folge wurden αMAX zwischen dem lumbalen- und dem Beckensegment in der Flexion [αFLEX[LS-PV]] mit allen weiteren gemessenen Segmenten und Bewegungsebenen gegenübergestellt (Mean ±SD, T-Test für unabhängige Stichproben). In STUDIE 2 wurden geziehlt zuvor eruierte höchste maximale sagittale Beugungsbeschleunigung der Lendenwirbelsäule [αFLEX[LS-PV]] und elektro-myografische Rumpfaktivität vor dem Auftreten von αFLEX[LS-PV] während unterschiedlicher Landungen (Höhe 45cm; mit und ohne planbaren Anschlusssprung) an 43 Probanden erfasst. Die Probanden unterschieden sich bezüglich ihrer Landungsvorerfahrung ( >1000 vs. <100 Landungen in den letzten 10 Jahren) und ihres Geschlechtes. Unterschiede zwischen Landungsvorerfahrung und Geschlecht sowie zwischen unterschiedlichen Landungstypen wurden gleichermaßen durch dreifaktorielle ANOVA mit Post-hoc Tests für αFLEX[LS-PV], und muskuläre Voraktivierung getestet. Abhängigkeiten von αFLEX[LS-PV] zu muskulärer Voraktivierung des Rumpfes wurde durch faktorspezifische Rangkorrelations-analyse (rs) berechnet. In der Folge wurden muskuläre Rumpfaktivitäten in Landephasen [DROP, IMPACT] unterteilt und analog im Einzelnen nach ihren Assoziationen zu αFLEX[LS-PV] getestet. Zudem wurde jegliche Muskelaktivierung paarig zwischen DROP und IMPACT verglichen (Mean ±SD, T-Test für abhängige Stichproben). ERGEBNISSE: Die Ausprägung von αMAX zeigte insgesamt hohe Variabilität innerhalb eines Testtages (CV =36%). Geringste intra-individuelle Variabilität und zugleich höchste Reproduzierbarkeit zwischen den Test-Tagen wurde für αMAX in Flexion der Wirbelsäule gefunden. αFLEX[LS-PV] zeigte nahezu durchgehend sig. höhere Werte im Vergleich zu αMAX kranialerer Gelenke und anderer Bewegungsebenen. αFLEX[LS-PV] stieg zudem graduell mit zunehmenden Landungshöhen. Landungsunerfahrene Probanden wiesen im Vergleich zu Probanden mit Vorerfahrung signifikant höhere αFLEX[LS-PV] auf (p=.016). Markant höchste muskuläre Aktivität wurde von M. Obliquus Int. mit M. Transversus Abd. (66 ±32%MVC) und M. Erector Spinae (47 ±15%MVC), verglichen zu geringster Aktivität von M. Rectus Abd. (10 ±4%MVC) dargeboten. Bei Landungsunerfahrenen wurde im Vergleich zu Landungserfahrenen eine sig. höhere Aktivität des M. Obliquus Ext. gemessen (17 ±8%MVC, 12 ±7%MVC, p= .044). Zudem konnten schwache aber sig. positive Korrelation zwsichen der Aktivität des M. Obliquus Ext. bzw. dessen Kokontraktion mit dem M. Erector Spinae zu αFLEX[LS-PV] nachgewiesen werden (rs=.39, rs=.31). Die Rumpfmuskulatur zeigte insgesamt anteilig mehr Bereitstellung während DROP, wobei Spitzenaktivitäten nahezu aller Rumpfmuskeln in der proportional kürzeren IMPACT-Phase auftraten. Frauen und Landungen mit geplantem unmittelbarem Anschlussspung zeigten insgesamt höhere Voraktivierung der Rumpf-muskulatur, vorallem in IMPACT, wobei sich αFLEX[LS-PV] unter diesen Bedingungen nur insignifikant von anderen Landungen unterschied. DISKUSSION: Bei Landungen treten höchste segmentale Winkelbeschleunigungen in sagittaler Beugung der Lendenwirbelsäule auf. Die kompensatorische Stabilisation des Rumpfes scheint dabei maßgeblich durch eine dorso-ventrale Kokontraktion des M. Obliquus Int., M. Transversus Abd. und dem M. Erector Spinae zu erfolgen. Eine hohe Voraktivierung des M. Obliquuis Ext. kann als Maß einer geringen Landungserfahrung diskutiert werden und führt möglicherweise zu erhöhten Biegebelastungen an der Lendenwirbelsäule. Die in allen untersuchten Landungen dargebotene hohe Variabilität gemessener Winkelbeschleunigungen lassen auf sehr variabel eingesetzte Impulskompensationsmechanismen bei der Durchführungen von Landungen schließen. Eine standardiserte Erfassung und valide Einschätzung von Biegebelastungen der Lendenwirbelsäule bei Sprunglandungen ist hierdurch stark eingeschränkt. SCHLUSSFOLGERUNG: Sprunglandungen verursachen höchst belastende segmentale Winkelbeschleunigungen an der Lendenwirbelsäule, vorrangig in der Flexion. Diese können physiologisch bedingt als Maß für hoch energetische Biegebelastungen der Wirbelsäule verstanden werden. Ein mögliches Risiko hieraus resultierender struktureller Überlastung muss insbesondere in Betracht gezogen werden, wenn Landungsanforderungen die individuellen Landungfähigkeiten übersteigen. Eine probate muskuläre Wirbelsäulen-stabilisation bzw. derer regelmäßiges Training in der Durchführung von Landungsvorgängen scheint erforderlich um auftretende Biegebelastungen zu reduzieren. KW - spine KW - load KW - landing KW - trunk muscles KW - acceleration KW - Wirbelsäule KW - Belastung KW - Landung KW - Rumpfmuskulatur KW - Beschleunigung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427461 ER - TY - THES A1 - Alhajturki, Dema T1 - Characterization of altered inflorescence architecture in Arabidopsis thaliana BG-5 x Kro-0 hybrid T1 - Charakterisierung veränderter Blütenstandarchitektur in Arabidopsis thaliana BG-5 x Kro-0-Hybrid N2 - A reciprocal cross between two A. thaliana accessions, Kro-0 (Krotzenburg, Germany) and BG-5 (Seattle, USA), displays purple rosette leaves and dwarf bushy phenotype in F1 hybrids when grown at 17 °C and a parental-like phenotype when grown at 21 °C. This F1 temperature-dependent-dwarf-bushy phenotype is characterized by reduced growth of the primary stem together with an increased number of branches. The reduced stem growth was the strongest at the first internode. In addition, we found that a temperature switch from 21 °C to 17 °C induced the phenotype only before the formation of the first internode of the stem. Similarly, the F1 dwarf-bushy phenotype could not be reversed when plants were shifted from 17 °C to 21 °C after the first internode was formed. Metabolic analysis showed that the F1 phenotype was associated with a significant upregulation of anthocyanin(s), kaempferol(s), salicylic acid, jasmonic acid and abscisic acid. As it has been previously shown that the dwarf-bushy phenotype is linked to two loci, one on chromosome 2 from Kro-0 and one on chromosome 3 from BG-5, an artificial micro-RNA approach was used to investigate the necessary genes on these intervals. From the results obtained, it was found that two genes, AT2G14120 that encodes for a DYNAMIN RELATED PROTEIN3B and AT2G14100 that encodes a member of the Cytochrome P450 family protein CYP705A13, were necessary for the appearance of the F1 phenotype on chromosome 2. It was also discovered that AT3G61035 that encodes for another cytochrome P450 family protein CYP705A13 and AT3G60840 that encodes for a MICROTUBULE-ASSOCIATED PROTEIN65-4 on chromosome 3 were both necessary for the induction of the F1 phenotype. To prove the causality of these genes, genomic constructs of the Kro-0 candidate genes on chromosome 2 were transferred to BG-5 and genomic constructs of the chromosome 3 candidate genes from BG-5 were transferred to Kro-0. The T1 lines showed that these genes are not sufficient alone to induce the phenotype. In addition to the F1 phenotype, more severe phenotypes were observed in the F2 generations that were grouped into five different phenotypic classes. Whilst seed yield was comparable between F1 hybrids and parental lines, three phenotypic classes in the F2 generation exhibited hybrid breakdown in the form of reproductive failure. This F2 hybrid breakdown was less sensitive to temperature and showed a dose-dependent effect of the loci involved in F1 phenotype. The severest class of hybrid breakdown phenotypes was observed only in the population of backcross with the parent Kro-0, which indicates a stronger contribution of the BG-5 allele when compared to the Kro-0 allele on the hybrid breakdown phenotypes. Overall, the findings of my thesis provide a further understanding of the genetic and metabolic factors underlying altered shoot architecture in hybrid dysfunction. N2 - Die reziproke Kreuzung der zwei A. thaliana-Akzessionen Kro-0 aus Krotzenburg (Deutschland) sowie BG-5 aus Seattle (USA) manifestiert sich in einem Zwergbusch-Phänotyp in den F1 Hybriden bei 17 °C. Dagegen zeigen die Nachkommen bei 21 °C einen Phänotyp, der den Eltern ähnelt. Somit handelt es sich bei dieser Kreuzung um einen temperaturabhängigen Phänotyp. Dieser ist gekennzeichnet durch einen gestörten Wuchs des Primärstammes sowie einer vermehrten Anzahl an gebildeten Seitenzweigen. Das gestörte Wachstum des Hauptsprosses ist am gravierendsten rund um das 1. Internodium der Pflanzen. Es konnte gezeigt werden, dass durch einen Temperaturwechsel von 21 °C auf 17 °C der Phänotyp nur induziert werden kann vor der Bildung des 1. Internodiums. Im Gegenzug dazu ist ebenfalls die Rettung des parentalen Phänotyps nur möglich vor der Bildung des 1. Internodiums am Hauptspross. Des Weiteren zeigten metabolische und hormonelle Analysen der F1 Hybriden eine signifikante Erhöhung von Anthozyanen, Kaempferol, Salizylsäure, Jasmonsäure sowie Abscisinsäure. In Vorarbeiten wurde der Phänotyp bereits mit zwei verschiedenen Loci verknüpft, einer befindet sich auf Chromosom 2 der Elternlinie Kro-0, der andere auf Chromosom 3 von BG-5. Mittels eines micro-RNA Versuches konnte ich zeigen, dass die zwei Gene AT2G14120 DYNAMIN RELATED PROTEIN3B und CYP705A13, welches zur Familie des Zytochrom P450 gehört, auf dem Chromosom 2 von Kro-0 involviert sind. Auf Chromosom 3 von BG-5 gehören die Gene CYP76C8P (AT3G61035) sowie MICROTUBULE-ASSOCIATED65-4 (AT3G60840) zu den verantwortlichen Genen. Es wurden genomische Konstrukte der Kro-0-Kandidatengene auf BG-5 übertragen sowie ebenfalls genomische Konstrukte der Chr3-Kandidatengene auf Kro-0 übertragen. Die T1-Linien bewiesen keines dieser Gene als allein ausreichend. Zusätzlich zu dem F1-Phänotyp wurden in den F2-Generationen, die in fünf verschiedene phänotypische Klassen eingeteilt waren, schwerwiegendere Phänotypen beobachtet. Während die Samenausbeute zwischen F1-Hybriden und Elternlinien vergleichbar war, zeigten drei phänotypische Klassen in der F2-Generationen einen Hybridabbau in Form von Fortpflanzungsversagen. Dieser F2-Hybridabbau war weniger temperaturempfindlich und zeigte einen dosisabhängigen Effekt, basierend auf der genetischen Architektur der am F1-Phänotyp beteiligten Loci. Die schwerste Klasse von hybriden Abbauphänotypen wurde nur in der Population von Rückkreuzungen mit dem Elternteil Kro-0 beobachtet, was einen stärkeren Beitrag des BG-5-Allels im Vergleich zu dem Kro-0-Allel auf den hybriden Abbauphänotypen anzeigt. Insgesamt liefern die Ergebnisse meiner Dissertation ein weiteres Verständnis der genetischen und metabolischen Faktoren, die der veränderten Sprossarchitektur bei hybrider Dysfunktion zugrunde liegen. KW - hybrid incompatibility KW - hybride Inkompatibilität KW - hybrid breakdown KW - Hybridzerfall KW - altered shoot branching KW - veränderte Triebverzweigung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420934 ER -