TY  - THES
A1  - Hoffmann, Mathias
T1  - Improving measurement and modelling approaches of the closed chamber method to better assess dynamics and drivers of carbon based greenhouse gas emissions
N2  - The trace gases CO2 and CH4 pertain to the most relevant greenhouse gases and are important exchange fluxes of the global carbon (C) cycle. Their atmospheric quantity increased significantly as a result of the intensification of anthropogenic activities, such as especially land-use and land-use change, since the mid of the 18th century. To mitigate global climate change and ensure food security, land-use systems need to be developed, which favor reduced trace gas emissions and a sustainable soil carbon management. This requires the accurate and precise quantification of the influence of land-use and land-use change on CO2 and CH4 emissions. A common method to determine the trace gas dynamics and C sink or source function of a particular ecosystem is the closed chamber method. This method is often used assuming that accuracy and precision are high enough to determine differences in C gas emissions for e.g., treatment comparisons or different ecosystem components.
However, the broad range of different chamber designs, related operational procedures and data-processing strategies which are described in the scientific literature contribute to the overall uncertainty of closed chamber-based emission estimates. Hence, the outcomes of meta-analyses are limited, since these methodical differences hamper the comparability between studies. Thus, a standardization of closed chamber data acquisition and processing is much-needed. 
Within this thesis, a set of case studies were performed to: (I) develop standardized routines for an unbiased data acquisition and processing, with the aim of providing traceable, reproducible and comparable closed chamber based C emission estimates; (II) validate those routines by comparing C emissions derived using closed chambers with independent C emission estimates; and (III) reveal processes driving the spatio-temporal dynamics of C emissions by developing (data processing based) flux separation approaches.
The case studies showed: (I) the importance to test chamber designs under field conditions for an appropriate sealing integrity and to ensure an unbiased flux measurement. Compared to the sealing integrity, the use of a pressure vent and fan was of minor importance, affecting mainly measurement precision; (II) that the developed standardized data processing routines proved to be a powerful and flexible tool to estimate C gas emissions and that this tool can be successfully applied on a broad range of flux data sets from very different ecosystem; (III) that automatic chamber measurements display temporal dynamics of CO2 and CH4 fluxes very well and most importantly, that they accurately detect small-scale spatial differences in the development of soil C when validated against repeated soil inventories; and (IV) that a simple algorithm to separate CH4 fluxes into ebullition and diffusion improves the identification of environmental drivers, which allows for an accurate gap-filling of measured CH4 fluxes.  
Overall, the proposed standardized data acquisition and processing routines strongly improved the detection accuracy and precision of source/sink patterns of gaseous C emissions. Hence, future studies, which consider the recommended improvements, will deliver valuable new data and insights to broaden our understanding of spatio-temporal C gas dynamics, their particular environmental drivers and underlying processes.
N2  - Die Spurengase CO2 und CH4 gehören zu den wichtigsten atmosphärischen Treibhausgasen und sind zugleich wichtige Austauschflüsse im globalen Kohlenstoff-(C)-Kreislauf. Als Ergebnis zunehmender anthropogener Aktivitäten insbesondere auch im Bereich der Landnutzung und des Landnutzungswandel stiegen seit Mitte des 18 Jahrhunderts die atmosphärischen CO2 und CH4 Konzentrationen deutlich an. Um die zu erwartenden Auswirkungen des globalen Klimawandels abzuschwächen aber auch um die weltweite Ernährungssicherheit zu gewährleisten, bedarf es der Entwicklung neuer Landnutzungssysteme welche sich durch verminderte Treibhausgasemissionen und ein nachhaltiges Management der Bodenkohlenstoffvorrate auszeichnen. 
Dies erfordert die akkurate und präzise Quantifizierung des Einflusses von Landnutzung und Landnutzungswandel auf die CO2 und CH4 Emissionen. Eine gängige Methode zur Bestimmung von Spurengasemissionen und darauf aufbauend der C Senken bzw. Quellenfunktion verschiedenster Ökosysteme stellen Haubenmessungen dar. Unterschiedliche Haubendesigns, Messprozeduren und Strategien bei der Datenaufbereitung führen jedoch mitunter zu erheblichen Unsicherheiten bei den gemessenen C Emissionen. Dies kann die Aussagekraft von Metastudien maßgeblich beeinträchtigen, da die Vergleichbarkeit mittels geschlossener Hauben durchgeführter Untersuchungen nicht gewährleistet werden kann. Daher ist eine Standardisierung der Erfassung und Auswertung von Haubenmessungen dringend erforderlich. 
Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb eine Reihe von Fallstudien durchgeführt um: (I) standardisierte Routinen zu entwickeln welche eine fehlerfreiere Datenerfassung und Bearbeitung von Haubenmessungen erlauben und so nachvollziehbare, reproduzierbare und vergleichbare C Emissionen liefern; (II) erarbeitete Routinen zu validieren indem auf geschlossenen Haubenmessungen basierende C Emissionen mit unabhängigen Daten verglichen werden; und (III) mittels entwickelter Separationsverfahren Teilflüsse präzise zu quantifizieren um Beziehungen zwischen CO2 und CH4 Flüssen und ihren Treibern besser analysieren zu können. Die durchgeführten Fallstudien zeigen: (I) die Notwendigkeit eingesetzte Hauben unter möglichst realistischen (Feld)-Bedingungen hinsichtlich ihrer Dichtigkeit (insbesondere an der Abdichtung zwischen Rahmen und Haube) zu überprüfen, da nur so fehlerfreie Messungen sichergestellt werden können; (II) das die entwickelten Routinen zur standardisierten Datenbearbeitung ein geeignetes flexibles Werkzeug darstellen um eine verlässliche Abschatzung gasförmige C Emissionen vorzunehmen; (III) das die zeitliche Dynamik von CO2 und CH4 Flüssen sowie kleinräumige Unterschiede in der Entwicklung von Bodenkohlenstoffvorraten gut mittels automatischer Haubenmesssysteme erfasst werden können (Validierung der Ergebnisse mittels wiederholter Bodeninventarisierung); und (IV) das ein einfacher Algorithmus zur Separation von CH4 in seine Flusskompartimente (blasenförmiger Massenfluss vs. Diffusion) die Identifizierung von Treibern verbessert und so ein akkurateres Füllen von Messlücken ermöglicht. 
Die in der Arbeit vorgestellten Routinen zur standardisierten Datenerfassung und Bearbeitung finden gegenwärtig national wie international Anwendung und helfen somit bei der Generierung  vergleichbarer, akkurater und präziser Abschätzungen von standort-/ökosystemspezifischen C Emissionen.
N2  - Следовые газы CO2 и CH4 относятся к наиболее значимым парниковым газам и являются важнейшими компонентами глобального углеродного (С) цикла. С середины XVIII столетия их атмосферная концентрация значительно увеличилась, в результате возросшей антропогенной деятельности, в особенности за счет такой сферы как землепользование и изменение землепользования. С целью смягчения последствий глобального изменения климата и обеспечения продовольственной безопасности, необходима разработка систем землепользования, которые будет способствовать сокращению эмиссии следовых газов и обеспечат устойчивое управление углеродными запасами почв. В свою очередь, это требует проведения аккуратной и точной количественной оценки воздействия землепользования и изменения землепользования на эмиссии CO2 и CH4. Стандартным способом для оценки динамики следовых газов и определения функции накопления или потери углерода экосистемой является метод закрытых камер. Данный метод часто используется с учетом предположения, что аккуратность и точность полученных результатов достаточно высоки, чтобы оценить разность между потоками углеродсодержащих газов. Например, при сравнении способов воздействия на экосистему либо для оценки углеродных потоков от ее компонентов. 
В научной литературе описано множество различных вариантов конструкций закрытых камер, связанных с ними операционных процедур и стратегий обработки данных. Это широкое разнообразие вносит свой вклад в общую неопределенность при оценке эмиссии парниковых газов методом закрытых камер. В результате, полученные на основе мета-анализа выводы обладают определенными ограничениями, т.к. методологические различия между разными исследованиями затрудняют сравнение их результатов. В связи с этим, необходимо проведение стандартизации сбора и обработки данных для методики закрытых камер. 
В рамках данных тезисов, был выполнен ряд тематических исследований с целью:(1) разработать для методики закрытых камер стандартизированные процедуры несмещенного сбора и обработки данных, которые позволят получить явно отслеживаемые, воспроизводимые и сопоставимые оценки углеродных потоков; (2) провести валидацию этих процедур, путем сравнения оценок потоков углерода, полученных методом закрытых камер с результатами оценки других независимых методов; (3) разработать, на основе анализа данных, способы для разделения углеродных потоков и установить процессы, регулирующие их пространственно-временную динамику. 
Результаты тематических исследований показали: (1) Важно проводить испытания конструкции камер на герметичность в полевых условиях и удостовериться, что измерения потоков углерода несмещенные. В сравнении с влиянием герметичности камеры, использование клапанов для выравнивания давления и вентиляторов имело несущественное значение и влияло только на точность измерений; (2) Было подтверждено, что разработанные стандартизированные методы обработки данных являются мощным и гибким инструментом оценки эмиссии углерода. На сегодняшний день эти методы успешно применяются на широком спектре разнообразных наборов данных углеродных потоков для различных типов экосистем; (3) Измерения, выполненные автоматическими закрытыми камерами, отчетливо демонстрируют временную динамику потоков CO2 и CH4 и, что наиболее важно, они хорошо выявляют мелкомасштабные пространственные различия в накоплении почвенного углерода, что было подтверждено с помощью повторяемой инвентаризации почвенных запасов углерода; (4) Простой алгоритм разделения эмиссии CH4 на потоки выбросов в виде диффузии газа и выделения в виде пузырей улучшает идентификацию экологических факторов, которые их регулируют, что позволяет более точно оценить эмиссии CH4 в периоды между измерениями. 
В целом предложенные стандартизированные методы сбора и обработки данных значительно увеличивают точность моделей выделения-поглощения газообразных углеродных эмиссий. Таким образом, будущие исследования, проведенные с учетом рекомендуемых усовершенствований, позволят получить новые ценные данные и гипотезы для расширения нашего понимания пространственно-временной динамики потоков углеродсодержащих газов, экологических факторов их регулирования и лежащих в их основе процессов.
N2  - Le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) font partie des gaz à effet de serre les plus importants et sont également des éléments majeurs du cycle global du carbone. Depuis le milieu du XVIIIe siècle, leur quantité dans l’atmosphère a considérablement augmenté en raison de l'intensification des activités anthropiques, notamment l'exploitation des terres et la modification de l'utilisation de ces dernières. Afin d’atténuer les effets du changement climatique et d’assurer la sécurité alimentaire, il faut mettre au point des systèmes d’utilisation des terres qui favorisent la réduction des émissions de gaz à effet de serre ainsi qu’une gestion durable des stocks de carbone dans les sols. Cela exige une quantification exacte et précise de l'influence de l'utilisation des terres et de la modification de l'utilisation des sols sur les émissions de CO2 et de CH4. La méthode à chambre fermée est une méthode courante pour déterminer l’évolution des gaz présents à faible concentration atmosphérique et du puits de carbone, ou pour analyser la fonction primaire d'un écosystème singulier. Cette méthode est souvent utilisée en supposant que l’exactitude et la précision sont suffisamment élevées pour déterminer les différences dans les émissions de gaz à effet de serre, par exemple pour comparer les traitements ou les différentes composantes de l’écosystème.
Toutefois, la vaste gamme de conceptions de chambres différentes, les procédures de mesure et les stratégies de traitement des données décrites dans la documentation scientifique contribuent à l’incertitude générale quant à l’analyse des émissions récoltées en chambre fermée. Par conséquent, les résultats des méta-analyses sont limités, car ces différences méthodologiques entravent la comparabilité des études. La standardisation de l’acquisition et du traitement des données en chambre fermée est donc indispensable.
Dans le cadre de cette thèse, une série d'études de cas ont été réalisées pour: (I) élaborer des routines standardisées pour l'acquisition et le traitement de données impartiales, dans le but de fournir des estimations des émissions de carbone en chambre fermée traçables, reproductibles et comparables; (II) valider ces routines en comparant les émissions de carbone obtenues par la méthode des chambres fermées avec des estimations indépendantes des émissions de carbone; et (III) révéler les processus qui déterminent la dynamique spatio-temporelle des émissions de carbone en développant un processus de traitement de données basé sur l’approche de la séparation des flux.
Les études de cas montrent: (I) l'importance de tester la conception des chambres dans des conditions de terrain pour une étanchéité appropriée et pour assurer une mesure impartiale des flux. Comparé à l'intégrité de l'étanchéité, l'utilisation d'une soupape de compensation de pression et d'un ventilateur était d'une importance mineure, affectant principalement la précision des mesures; (II) que les routines de traitement des données standardisées développées se sont avérées être un outil puissant et flexible pour estimer les émissions de carbone. L'outil est maintenant appliqué avec succès sur un large éventail de séries de données de flux provenant d'écosystèmes très différents; (III) que les mesures faites à l’aide de chambres automatiques montrent très bien la dynamique temporelle des flux CO2 et de CH4 et, surtout, qu'elles détectent avec précision les différences spatiales à petite échelle dans le développement des réserves de carbone dans le sol lorsqu'elles sont validées par des inventaires périodiques du sol; et (IV) qu’un algorithme simple pour séparer les flux de CH4 en ébullition et en diffusion améliore l'identification de facteurs environnementaux, ce qui permet de combler avec précision les données manquantes des flux de CH4 mesurés.
Dans l'ensemble, les routines standardisées proposées pour l'acquisition et le traitement des données ont grandement amélioré l'exactitude de la détection des profils source/évier des émissions de carbone gazeux. Par conséquent, les études futures, qui tiennent compte des améliorations recommandées, fourniront de nouvelles données et de nouvelles perspectives précieuses pour élargir notre compréhension de la dynamique spatio-temporelle du gaz carbone, de ses moteurs environnementaux spécifiques et des processus sous-jacents.
N2  - Los gases traza CO2 y CH4 pertenecen a los gases de efecto invernadero más importantes del ciclo global del carbono (C). Su concentración en la atmósfera se ha incrementado significativamente desde mediados del siglo XVIII como resultado de la intensificación de las actividades antropogénicas, como el uso del suelo y el cambio en los usos de la tierra. Para mitigar el cambio climático global y garantizar la seguridad alimentaria es necesario desarrollar sistemas de uso del suelo que favorezcan la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y una gestión sostenible del carbono en el suelo.
Esto requiere un cálculo exacto y preciso de la influencia del uso del suelo y de los cambios en el uso del suelo en las emisiones de CO2 y CH4. Un método común para determinar las dinámicas del gas traza y la función de fuente o sumidero de C de un ecosistema es el método de las cámaras cerradas. Este método se utiliza comúnmente asumiendo que la exactitud y precisión son lo suficientemente elevadas para determinar las diferencias en la emisiones de gases C, por ejemplo, comparaciones de tratamientos o de los diferentes componentes del ecosistema.
Sin embargo, la amplia gama de diseños de cámaras, los procedimientos operativos relacionados y las estrategias de procesamiento de datos descritas en la literatura científica contribuyen a la incertidumbre general de las estimaciones de emisiones basadas en cámaras cerradas. Además, los resultados de los metanálisis son limitados, ya que estas diferencias metodológicas dificultan la comparabilidad entre los estudios. Por lo tanto, la estandarización en la obtención y procesamiento de datos en el método de la cámara cerrada es muy necesaria. En esta tesis se desarrollan un conjunto de casos de estudio para: (I) Desarrollar rutinas estandarizadas para una obtención y procesamiento de datos imparcial, con el objetivo de proporcionar estimaciones de emisiones de C basadas en cámaras cerradas trazables, reproducibles y comparables; (II) Validar esas rutinas comparando las emisiones de C derivadas del método de las cámaras cerradas con estimaciones independientes de emisiones de C; y (III) revelar procesos que impulsan la dinámica espacio temporal de las emisiones de C, a través del desarrollo de un proceso de tratamiento de datos basado en el enfoque de la separación de flujos. Los casos de estudio muestran: (I) La importancia de someter a prueba el diseño de las cámaras a las condiciones de campo para una apropiada integridad del sellado y para garantizar una medición de flujo imparcial. Comparado con la integridad del sellado, el uso de la ventilación a presión y del ventilador resultó de menor importancia, afectando principalmente a la precisión de las mediciones. (II) que las rutinas estandarizadas desarrolladas para el procesamiento de datos demostraron ser una herramienta poderosa y flexible para estimar las emisiones de gases de C. La herramienta ahora se aplica con éxito en una amplia gama de conjuntos de datos de flujo de ecosistemas muy diferentes; (III) que las mediciones con cámaras automáticas muestran claramente la dinámica temporal de las emisiones de CO2 y lo más importante, que detectan con precisión diferencias espaciales a pequeña escala en el desarrollo del C en el suelo cuando se validan con inventarios periódicos del suelo ; y (IV) que un simple algoritmo para separar flujos de CH4 entre ebullición y difusión mejora la identificación de los impulsores ambientales, lo cual permite un procedimiento más exacto para el relleno del vacío de datos de las mediciones de los flujos de CH4.
En términos generales puede decirse que los algoritmos de obtención y procesamiento de datos estandarizados propuestos mejoraron en gran medida la precisión de detección de los patrones fuente / sumidero de emisiones de C gaseoso. Por lo tanto, los futuros estudios, que consideren las mejoras recomendadas, ofrecerán nuevos datos y conocimientos útiles para ampliar nuestra comprensión de la dinámica espacio-temporal del C de los gases, sus impulsores ambientales específicos y los procesos subyacentes.
T2  - Verbesserung von Mess- und Modellierungsansätzen der geschlossenen Haubenmessmethode zur besseren Erfassung von raumzeitlichen Veränderungen und potentiellen Treibern kohlenstoffbasierter Treibhausgasemissionen
KW  - greenhouse gases
KW  - closed chamber method
KW  - carbon dioxide
KW  - methane
KW  - Kohlenstoffdioxid
KW  - geschlossene Haubenmessmethode
KW  - Treibhausgase
KW  - Methan
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421302
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mahata, Khadak Singh
T1  - Spatiotemporal variations of key air pollutants and greenhouse gases in the Himalayan foothills
T1  - Raumzeitliche Variationen der wichtigsten Luftschadstoffe und Treibhausgase in den Ausläufern des Himalaya
N2  - South Asia is a rapidly developing, densely populated and highly polluted region that is facing the impacts of increasing air pollution and climate change, and yet it remains one of the least studied regions of the world scientifically. In recognition of this situation, this thesis focuses on studying (i) the spatial and temporal variation of key greenhouse gases (CO2 and CH4) and air pollutants (CO and O3) and (ii) the vertical distribution of air pollutants (PM, BC) in the foothills of the Himalaya. Five sites were selected in the Kathmandu Valley, the capital region of Nepal, along with two sites outside of the valley in the Makawanpur and Kaski districts, and conducted measurements during the period of 2013-2014 and 2016. These measurements are analyzed in this thesis.   
The CO measurements at multiple sites in the Kathmandu Valley showed a clear diurnal cycle: morning and evening levels were high, with an afternoon dip. There are slight differences in the diurnal cycles of CO2 and CH4, with the CO2 and CH4 mixing ratios increasing after the afternoon dip, until the morning peak the next day. The mixing layer height (MLH) of the nocturnal stable layer is relatively constant (~ 200 m) during the night, after which it transitions to a convective mixing layer during the day and the MLH increases up to 1200 m in the afternoon. Pollutants are thus largely trapped in the valley from the evening until sunrise the following day, and the concentration of pollutants increases due to emissions during the night. During afternoon, the pollutants are diluted due to the circulation by the valley winds after the break-up of the mixing layer. The major emission sources of GHGs and air pollutants in the valley are transport sector, residential cooking, brick kilns, trash burning, and agro-residue burning. Brick industries are influential in the winter and pre-monsoon season. The contribution of regional forest fires and agro-residue burning are seen during the pre-monsoon season. In addition, relatively higher CO values were also observed at the valley outskirts (Bhimdhunga and Naikhandi), which indicates the contribution of regional emission sources. This was also supported by the presence of higher concentrations of O3 during the pre-monsoon season. 
The mixing ratios of CO2 (419.3 ±6.0 ppm) and CH4 (2.192 ±0.066 ppm) in the valley were much higher than at background sites, including the Mauna Loa observatory (CO2: 396.8 ± 2.0 ppm, CH4:1.831 ± 0.110 ppm) and Waligaun (CO2: 397.7 ± 3.6 ppm, CH4: 1.879 ± 0.009 ppm), China, as well as at an urban site Shadnagar (CH4: 1.92 ± 0.07 ppm) in India. 

The daily 8 hour maximum O3 average in the Kathmandu Valley exceeds the WHO recommended value during more than 80% of the days during the pre-monsoon period, which represents a significant risk for human health and ecosystems in the region. Moreover, in the measurements of the vertical distribution of particulate matter, which were made using an ultralight aircraft, and are the first of their kind in the region, an elevated polluted layer at around ca. 3000 m asl. was detected over the Pokhara Valley. The layer could be associated with the large-scale regional transport of pollution. These contributions towards understanding the distributions of key air pollutants and their main sources will provide helpful information for developing management plans and policies to help reduce the risks for the millions of people living in the region.
N2  - Südasien ist eine sich schnell entwickelnde, dicht besiedelte und stark umweltbelastete Region, die mit den Auswirkungen der zunehmenden Luftverschmutzung und des Klimawandels konfrontiert ist, und dennoch bleibt sie wissenschaftlich gesehen eine der am wenigsten untersuchten Regionen der Welt. In Anerkennung dieser Situation liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung (i) der räumlichen und zeitlichen Variation der wichtigsten Treibhausgase (CO2 und CH4) und Luftschadstoffe (CO und O3) und (ii) der vertikalen Verteilung der Luftverschmutzung (PM, BC) in den Vorgebirgen des Himalayas. Fünf Standorte wurden im Kathmandu-Tal, der Hauptstadtregion Nepals, sowie zwei Standorte außerhalb des Tals in den Distrikten Makawanpur und Kaski ausgewählt und im Zeitraum 2013-2014 und 2016 wurden Messungen durchgeführt. Diese Messungen werden in dieser Arbeit analysiert.
Die CO-Messungen an mehreren Standorten im Kathmandu-Tal zeigten einen klaren Tagesablauf: Die Werte am Morgen und am Abend waren hoch, mit einem Rückgang am Nachmittag. Es gibt leichte Unterschiede in den Tageszyklen von CO2 und CH4, wobei die Mischungsverhältnisse von CO2 und CH4 nach dem Nachmittagsdip bis zu den höchsten Werten am nächsten Morgen zunehmen. Die Höhe der nächtlichen stabilen planetaren Grenzschicht ist relativ konstant (~ 200 m), danach geht sie tagsüber in eine konvektive Mischschicht über und die MLH ("Mixing layer height") steigt am Nachmittag auf bis zu 1400 m an. So werden Schadstoffe vom Abend bis zum Sonnenaufgang des folgenden Tages weitgehend im Tal gefangen, und die Schadstoffkonzentration steigt durch nächtliche Emissionen an. Während des Nachmittags werden die Schadstoffe aufgrund der Zirkulation durch die Talwinde nach dem Aufbrechen der Mischschicht verdünnt. Die Hauptemissionsquellen für GHGs und Luftschadstoffe im Tal sind der Verkehrssektor, das Kochen in privaten Haushalten, Ziegeleien, die Müllverbrennung und die Verbrennung von landwirtschaftlichen Reststoffen. Die Ziegelindustrie ist in der Winter- und Vormonsunzeit von großer Bedeutung für die Emissionen von Ruß. Der Beitrag der regionalen Waldbrände und der Verbrennung von landwirtschaftlichen Reststoffen ist besonders wichtig in der Vormonsunzeit. Darüber hinaus wurden auch am Talrand (Bhimdhunga und Naikhandi) relativ hohe CO-Werte beobachtet, was auf den Beitrag der regionalen Emissionsquellen hinweist. Dies wurde auch durch das Vorhandensein höherer Konzentrationen von O3 während der Vormonsunzeit unterstützt.
Die Mischungsverhältnisse von CO2 (419,3 ±6,0 ppmv) und CH4 (2.192 ±0,066 ppmv) im Tal waren viel höher als an bekannten Hintergrundstandorten, darunter das Observatorium Mauna Loa (CO2: 396,8 ± 2,0 ppmv, CH4:1.831 ± 0,110 ppmv) und Waligaun (CO2: 397,7 ± 3,6 ppmv, CH4: 1,879 ± 0,009 ppmv), China, sowie an einem städtischen Standort Shadnagar (CH4: 1,92 ± 0,07 ppmv) in Indien.	
Der tägliche 8-stündige maximale O3-Durchschnitt im Kathmandu-Tal übersteigt den WHO-Empfehlungswert an mehr als 80% der Tage während der Vormonsunzeit, was ein erhebliches Risiko für die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme in der Region darstellt. Darüber hinaus wurde bei den Messungen der vertikalen Verteilung der Feinstaubpartikel, die mit einem Ultraleichtflugzeug durchgeführt wurden und die ersten ihrer Art in der Region sind, eine höherliegende verschmutzte Schicht, ca. 3000 m über dem mittleren Meeresspiegel über dem Pokhara-Tal, festgestellt. Die Schicht könnte mit dem großräumigen regionalen Transport von Schadstoffen in Verbindung gebracht werden. Diese Beiträge zum Verständnis der Verteilung der wichtigsten Luftschadstoffe und ihrer Hauptquellen werden hilfreiche Informationen für die Entwicklung von Mitigationsplänen und -strategien liefern, die dazu beitragen, die Risiken für die Millionen von Menschen, die in der Region leben, zu verringern.
KW  - Air pollution
KW  - Greenhouse gases
KW  - Himalayan foothills
KW  - Luftverschmutzung
KW  - Treibhausgase
KW  - Ausläufer des Himalaya
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519910
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bysani Kondagari, Viswanada Reddy
T1  - Engineering and evolution of saccharomyces cerevisiae for synthetic formatotrophic growth via the reductive glycine pathway
N2  - Increasing demand for food, healthcare, and transportation arising from the growing world population is accompanied by and driving global warming challenges due to the rise of the atmospheric CO2 concentration. Industrialization for human needs has been increasingly releasing CO2 into the atmosphere for the last century or more. In recent years, the possibility of recycling CO2 to stabilize the atmospheric CO2 concentration and combat rising temperatures has gained attention. Thus, using CO2 as the feedstock to address future world demands is the ultimate solution while controlling the rapid climate change. Valorizing CO2 to produce activated and stable one-carbon feedstocks like formate and methanol and further upgrading them to industrial microbial processes to replace unsustainable feedstocks would be crucial for a future biobased circular economy. However, not all microbes can grow on formate as a feedstock, and those microbes that can grow are not well established for industrial processes.
S. cerevisiae is one of the industrially well-established microbes, and it is a significant contributor to bioprocess industries. However, it cannot grow on formate as a sole carbon and energy source. Thus, engineering S. cerevisiae to grow on formate could potentially pave the way to sustainable biomass and value-added chemicals production. 
The Reductive Glycine Pathway (RGP), designed as the aerobic twin of the anaerobic Reductive Acetyl-CoA pathway, is an efficient formate and CO2 assimilation pathway. The RGP comprises of the glycine synthesis module (Mis1p, Gcv1p, Gcv2p, Gcv3p, and Lpd1p), the glycine to serine conversion module (Shmtp), the pyruvate synthesis module (Cha1p), and the energy supply module (Fdh1p). The RGP requires formate and elevated CO2 levels to operate the glycine synthesis module. In this study, I established the RGP in the yeast system using growth-coupled selection strategies to achieve formate and CO2-dependent biomass formation in aerobic conditions.  
Firstly, I constructed serine biosensor strains by disrupting the native serine and glycine biosynthesis routes in the prototrophic S288c and FL100 yeast strains and insulated serine, glycine, and one-carbon metabolism from the central metabolic network. These strains cannot grow on glucose as the sole carbon source but require the supply of serine or glycine to complement the engineered auxotrophies. Using growth as a readout, I employed these strains as selection hosts to establish the RGP. Initially, to achieve this, I engineered different serine-hydroxymethyltransferases in the genome of serine biosensor strains for efficient glycine to serine conversion. Then, I implemented the glycine synthesis module of the RGP in these strains for the glycine and serine synthesis from formate and CO2. I successfully conducted Adaptive Laboratory Evolution (ALE) using these strains, which yielded a strain capable of glycine and serine biosynthesis from formate and CO2. Significant growth improvements from 0.0041 h-1 to 0.03695 h-1 were observed during ALE. To validate glycine and serine synthesis, I conducted carbon tracing experiments with 13C formate and 13CO2, confirming that more than 90% of glycine and serine biosynthesis in the evolved strains occurs via the RGP. Interestingly, labeling data also revealed that 10-15% of alanine was labelled, indicating pyruvate synthesis from the formate-derived serine using native serine deaminase (Cha1p) activity. Thus, RGP contributes to a small pyruvate pool which is converted to alanine without any selection pressure for pyruvate synthesis from formate. Hence, this data confirms the activity of all three modules of RGP even in the presence of glucose. Further, ALE in glucose limiting conditions did not improve pyruvate flux via the RGP.
Growth characterization of these strains showed that the best growth rates were achieved in formate concentrations between 25 mM to 300 mM. Optimum growth required 5% CO2, and dropped when the CO2 concentration was reduced from 5% to 2.5%.
Whole-genome sequencing of these evolved strains revealed mutations in genes that encode Gdh1p, Pet9p, and Idh1p. These enzymes might influence intracellular NADPH, ATP, and NADH levels, indicating adjustment to meet the energy demand of the RGP. I reverse-engineered the GDH1 truncation mutation on unevolved serine biosensor strains and reproduced formate dependent growth. To elucidate the effect of the GDH1 mutation on formate assimilation, I reintroduced this mutation in the S288c strain and conducted carbon-tracing experiments to compared formate assimilation between WT and ∆gdh1 mutant strains. Comparatively, enhanced formate assimilation was recorded in the ∆gdh1 mutant strain. 
Although the 13C carbon tracing experiments confirmed the activity of all three modules of the RGP, the overall pyruvate flux via the RGP might be limited by the supply of reducing power. Hence, in a different approach, I overexpressed the formate dehydrogenase (Fdh1p) for energy supply and serine deaminase (Cha1p) for active pyruvate synthesis in the S288c parental strain and established growth on formate and serine without glucose in the medium. Further reengineering and evolution of this strain with a consistent energy, and formate-derived serine supply for pyruvate synthesis, is essential to achieve complete formatotrophic growth in the yeast system.
N2  - Die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln, Gesundheitsfürsorge und Transportmitteln durch die stetig wachsende Weltbevölkerung, sorgen für eine dramatisch fortschreitende globale Erwärmung; verursacht durch den massiven weltweiten CO2 Ausstoß. Durch die Industrialisierung wurde im vergangenen Jahrhundert immer mehr CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. Recycling von CO2 hat in den letzten Jahren an Aufmerksamkeit gewonnen, um die steigenden Temperaturen zu stabilisieren. CO2 ist somit der ultimative Rohstoff, um den künftigen weltweiten Bedarf zu decken und gleichzeitig den raschen Klimawandel zu kontrollieren. Die Verwendung von CO2 zur Herstellung von aktivierten Ein-Kohlenstoff-Verbindungen wie Formiat und Methanol und die weitere Aufwertung durch mikrobielle Prozesse, wäre für die biobasierte Kreislaufwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Allerdings können die allermeisten Mikroorganismen auf den genannten Ein-Kohlenstoffverbindungen- als Ausgangsstoff nicht wachsen und diejenigen, dies es können sind für industrielle Prozesse nicht geeignet.
S. cerevisiae gehört zu den industriell etablierten Mikroorganismen und leistet einen wichtigen Beitrag zur Bioprozessindustrie. Sie kann jedoch nicht auf Formiat als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle wachsen. Die biotechnologische Anpassung von S. cerevisiae für das Wachstum auf Formiat könnte daher nachhaltige Wege für die Produktion von Biomasse und wertschöpfenden Chemikalien ebnen. 
Der Reduktive Glycinweg (RGP), der als aerober Zwilling des anaeroben Reduktiven Acetyl-CoA-Wegs konzipiert wurde, ist ein effizienter Formiat- und CO2 Assimilationsweg. Der RGP besteht aus dem Glycin-Synthesemodul (Mis1p, Gcv1p, Gcv2p, Gcv3p und Lpd1p), dem Modul zur Umwandlung von Glycin in Serin (Shmtp), dem Pyruvat-Synthesemodul (Cha1p) und dem Energieversorgungsmodul (Fdh1p). Der RGP benötigt Formiat und erhöhte CO2 Verfügbarkeit, um das Glycin-Synthesemodul zu betreiben. In dieser Studie habe ich das RGP im Hefesystem mit wachstumsgekoppelten Selektionsstrategien etabliert, um ein von Formiat und CO2 abhängiges zelluläres Wachstum unter aeroben Bedingungen zu erreichen.  
Zunächst habe ich Serin-Biosensor-Stämme konstruiert, indem ich die nativen Serin- und Glycin-Biosynthesewege in den prototrophen Stämmen S288c und FL100 unterbrochen und den Serin-, Glycin- und Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel vom zentralen Stoffwechselnetz isoliert habe. Diese Stämme können nicht mit Glukose als alleinige Kohlenstoffquelle wachsen, sondern benötigen die Zufuhr von Serin oder Glycin, um die eingeführten Auxotrophien zu ergänzen. Unter Verwendung von zellulärem Wachstum als Indikator, habe ich diese Stämme als Selektionswirte verwendet, um den RGP zu etablieren. Zu diesem Zweck habe ich durch genomische Integration von Serin-Hydroxymethyltransferasen (SHMTs) in diese Biosensorstämme effiziente Module zur Umwandlung von Glycin in Serin geschaffen. Dann implementierte ich das Glycin-Modul des RGP in die Stämme für die Glycin- und Serinsynthese aus Formiat und CO2. Mit diesen Stämmen führte ich erfolgreich eine adaptive Laborevolution (ALE) durch, die einen Stamm hervorbrachte, der zur Glycin- und Serinbiosynthese aus Ameisensäure und CO2 fähig ist. Während der ALE wurden signifikante Wachstumsverbesserungen von 0,0041 h-1 auf 0,03695 h-1 beobachtet. Um die Glycin- und Serinsynthese zu bestätigen, führte ich Experimente zur Kohlenstoffverfolgung mit 13C-Formiat und 13CO2 durch, die bestätigten, dass mehr als 90% der Glycin- und Serinbiosynthese über den RGP erfolgt. Interessanterweise ergaben die Markierungsdaten auch 10-15% markiertes Alanin, was auf eine Pyruvatsynthese aus dem von Formiat abgeleiteten Serin durch die native Serindeaminase (Cha1p) hinweist. Somit trägt der RGP zu einem kleinen Pyruvat-Pool bei, ohne dass ein Selektionsdruck für die Pryuvat Synthese aus Formiat besteht. Diese Daten bestätigen somit die Aktivität aller drei Module von RGP auch in Gegenwart von Glukose. Weitere ALE unter glukoselimitierenden Bedingungen verbesserte den Pyruvatfluss aus dem RGP allerdings nicht.
Die Wachstumscharakterisierung der beschriebnen Stämme zeigte, dass die besten Wachstumsraten bei Formiatkonzentrationen zwischen 25 mM und 300 mM erzielt wurden. Für optimales Wachstum wurde 5% CO2 benötigt und die Wachstumsrate verschlechterte sich bei einer CO2 Konzentration von 2.5 %. 
Die Sequenzierung des gesamten Genoms dieser weiterentwickelten Stämme ergab Mutationen in Genen, die für Gdh1p, Pet9p und Idh1p kodieren. Diese Enzyme beeinflussen den intrazellulären NADPH-, ATP- und NADH-Spiegel, was auf den Energiebedarf für die Aktivität des RGP hinweist. Ich habe die GDH1-Mutation in nicht evolvierte Serin-Biosensor-Stämme eingebracht und damit das von Formiat und CO2 abhängige Wachstum reproduziert. Um die Auswirkung der GDH1-Mutation auf die Formationsassimilation zu klären, habe ich diese Mutation in den WT-Stamm eingeführt und ein Experiment zur Kohlenstoffverfolgung mit 13C-Formiat und Glukose durchgeführt. Es wurde nachgewiesen, dass die gdh1-Mutante im Vergleich zum WT-Stamm eine verbesserte Assimilation aufweist. 
Obwohl die 13C-Isotopenmarkierung die Aktivität aller drei Module der RGP bestätigte, könnte der Gesamtpyruvatfluss über den RGP durch die Versorgung mit Redox-Äuquivalenten begrenzt sein. In einem anderen Ansatz wurden daher die Formiatdehydrogenase (Fdh1p) für die Energieversorgung und die Serindesaminase (Cha1p) für die aktive Pyruvatsynthese überexprimiert und ein Wachstum mit Formiat und Serin ohne Glukose in der WT-Hefe festgestellt. Die weitere Entwicklung des gesamten Stoffwechsels in Kombination mit Evolutionsstrategien,und einer aus Formiat gewonnenen Serin- und Energiezufuhr für die Pyruvatsynthese ist unerlässlich, um ein vollständiges formatotrophes Wachstum im Hefesystem zu erreichen.
KW  - synthetic formatotrphy
KW  - green house gases
KW  - CHO-THF, CH-THF, CH2-THF, and CH3-THF
KW  - reductive glycine pathway
KW  - reductive acetyl-CoA pathway
KW  - glycine decarboxylase complex (=GCV)
KW  - glycine cleavage system
KW  - glycine synthase complex (reversal of GCV)
KW  - One-carbon
KW  - 10-Formyltetrahydrofolate
KW  - 5,10-Methenyltetrahydrofolate
KW  - 5,10-Methylenetetrahydrofolate
KW  - 5-Methyltetrahydrofolate
KW  - serine hydroxymethyltransferase
KW  - serine biosensor
KW  - adaptive laboratory evolution
KW  - next generation sequencing
KW  - Treibhausgase
KW  - Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen
KW  - reduktiver Glycinweg
KW  - reduktiver Acetyl-CoA-Weg
KW  - Glycin-Spaltsystem
KW  - Glycin-Decarboxylase-Komplex (=GCV)
KW  - Glycin-Synthase-Komplex (Umkehrung von GCV)
KW  - Ein Kohlenstoff
KW  - 10-Formyltetrahydrofolat
KW  - 5,10-Methenyltetrahydrofolat
KW  - 5-Methyltetrahydrofolat
KW  - CHO-THF, CH-THF, CH2-THF und CH3-THF
KW  - 3-Phosphoglycerinsäure
KW  - Serin-Hydroxymethyltransferase
KW  - Serin-Biosensor
KW  - Evolutionsrunde
KW  - adaptive Laborentwicklung
KW  - Sequenzierung der nächsten Generation
KW  - Codierungssequenz
KW  - autonom replizierende Sequenz
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582222
ER  -