Humusmonitoring in NRW - Ergebnisse der ersten Jahre

Seit 2009 werden in NRW an 45 ackerbaulich genutzten Untersuchungsflächen jährlich Bodenproben entnommen. Jeweils 15 Flächen liegen in den drei unterschiedlichen Landschaftsräumen Westfälische Bucht, Niederrheinisches Tiefland, Rheinische Bucht. Beprobt wird der Ap-Horizont und der darunter liegende Boden bis 60cm Tiefe. Ziel ist die Erfassung und Charakterisierung des Kohlenstoffgehaltes und -vorrates sowie deren Veränderungen mit der Zeit. Die Ergebnisse zeigen, dass die Corg-Gehalte im Ap und Unterboden des  Niederrheinischen Tieflandes und der Rheinischen Bucht sehr ähnlich sind. Abweichend von den dortigen (Pseudogley)-(Para)Braunerden aus Löss zeigen die Gley-Podsole aus Flugsand in der Westfälischen Bucht meist deutlich höhere Corg-Gehalte. Als möglicher Grund für die höheren Corg-Gehalte sind sowohl Auswirkungen der Flächenbewirtschaftung, Podsol-typische Anreicherungen als auch der (ehemalige) Einfluss des Grundwassers wahrscheinlich. Nach einer Laufzeit von sieben Jahren (2009-2016) lassen sich aktuell keine statistisch abgesicherten flächenhaften Trends des Corg-Gehaltes, weder im Ap noch im Unterboden, erkennen

Humusstabilität in urbanen Unterböden – Konsequenzen für deren Umlagerung

Große Mengen von humosem Bodenmaterial fallen bei Erdbaumaßnahmen an, die beim Deponieren oder Wiedereinbau Schäden durch die Freisetzung klimarelevanter Gase bewirken können. Deshalb ist die Frage zum Umgang mit Unterböden über 1 % TOC nach dessen unterschiedlicher Labilität zu klären. Dazu ergab eine Literaturrecherche, dass nicht die strukturbedingte Oxidierbarkeit bei 400°C primär die Beständigkeit TOC im Unterboden bestimmt, sondern das ökosystemar gesteuerte Bodenmilieu. Dies spiegelte sich auch wider in den nur vereinzelt erkennbaren Beziehungen zwischen den TOC400 – Werten eines bundesweiten Probenkollektivs, die mit dem „Gradientenverfahren“ nach DIN-Entwurf 19539 bestimmt wurden, und Parametern, die Hinweise auf die TOC-Stabilität in Unterböden geben könnten. Darüber hinaus ergab eine Befragung, dass die Akzeptanz von Maßnahmen des vorsorgenden Bodenschutzes, zu der auch das Verbringen von humosem Unterbodenmaterial zählt, zu ca. 50 % gegeben ist. Ob an Stelle der Prozentangabe eine TOC - Bagatellmenge fachgerecht und praktikabel umsetzbar sein könnte, wird abschießend diskutiert. Zum Prüfen dieses Vorschlags sind noch praxisnahe Szenarien zu untersuchen

Ergebnisse aus 10 Jahren Humusmonitoring auf Ackerflächen in Nordrhein-Westfalen

Seit 2009 wird vom Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV NRW) in Zusammenarbeit mit dem Geologischen Dienst NRW, der Landwirtschaftskammer NRW sowie der Universität Bonn ein Humusmonitoringprogramm in Nordrhein-Westfalen durchgeführt. Ziele sind die Bestimmung der Gehalte und Vorräte an organischem Kohlenstoff (Corg) von Ackerböden in Nordrhein-Westfalen sowie die Abschätzung von Veränderungen der Corg-Gehalte und Vorräte. Zusätzlich sollen die Einflussfaktoren, wie z.B. Klimawandel und die landwirtschaftliche Nutzung, auf Gehalte und Vorräte ermittelt werden. Die Ergebnisse sollen auch eine wissen-schaftlich fundierte Basis schaffen, um die Landwirte bei allen Fragen der Humuspflege optimal zu beraten. Die Corg-Gehalte der Beprobung von 197 Flächen in 2009 liegen in einer Spanne von 0,7 bis 3,4 % mit deutlichen Unterschieden zwischen den untersuchten naturräumlichen Regionen. Rund 75 % der Flächen weisen Gehalte zwischen 1 und 2 % Corg auf. Die bisherigen Ergebnisse im Intensivmonitoring (2009 – 2018) von 45 ausgewählten Ackerflächen zeigen bisher keine NRW-weit gerichtete Entwicklung bei den Corg-Gehalten. Es sind jedoch regionale Trends zu beobachten. Multivariate Auswertungen haben gezeigt, dass insgesamt die organische Düngung, der Corg-Gehalt zu Beginn der Messreihe sowie die Temperaturzunahme den größten Einfluss auf die Veränderung der Corg-Gehalte aller 45 Flächen haben. Hervorzuheben sind dabei das Niederrheinische Tiefland und die Rheinische Bucht, in denen in den letzten zehn Jahren im Oberboden eine signifikante Zunahme der Corg-Gehalte zu beobachten ist und dies vermutlich vor allem auf die Zufuhr organischer Dünger zurückzuführen ist

Identification of metabolic engineering targets through analysis of optimal and sub-optimal routes

Identification of optimal genetic manipulation strategies for redirecting substrate uptake towards a desired product is a challenging task owing to the complexity of metabolic networks, esp. in terms of large number of routes leading to the desired product. Algorithms that can exploit the whole range of optimal and suboptimal routes for product formation while respecting the biological objective of the cell are therefore much needed. Towards addressing this need, we here introduce the notion of structural flux, which is derived from the enumeration of all pathways in the metabolic network in question and accounts for the contribution towards a given biological objective function. We show that the theoretically estimated structural fluxes are good predictors of experimentally measured intra-cellular fluxes in two model organisms, namely, Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae. For a small number of fluxes for which the predictions were poor, the corresponding enzyme-coding transcripts were also found to be distinctly regulated, showing the ability of structural fluxes in capturing the underlying regulatory principles. Exploiting the observed correspondence between in vivo fluxes and structural fluxes, we propose an in silico metabolic engineering approach, iStruF, which enables the identification of gene deletion strategies that couple the cellular biological objective with the product flux while considering optimal as well as sub-optimal routes and their efficiency.This work was supported by the Portuguese Science Foundation [grant numbers MIT-Pt/BS-BB/0082/2008, SFRH/BPD/44180/2008 to ZS] (http://www.fct.pt/). The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript

Dynamical chiral symmetry breaking and confinement with an infrared-vanishing gluon propagator?

We study a model Dyson-Schwinger equation for the quark propagator closed using an {\it Ansatz} for the gluon propagator of the form \mbox{$D(q) \sim q^2/[(q^2)^2 + b^4]$} and two {\it Ans\"{a}tze} for the quark-gluon vertex: the minimal Ball-Chiu and the modified form suggested by Curtis and Pennington. Using the quark condensate as an order parameter, we find that there is a critical value of $b=b_c$ such that the model does not support dynamical chiral symmetry breaking for $b>b_c$. We discuss and apply a confinement test which suggests that, for all values of $b$, the quark propagator in the model {\bf is not} confining. Together these results suggest that this Ansatz for the gluon propagator is inadequate as a model since it does not yield the expected behaviour of QCD.Comment: 21 Pages including 4 PostScript figures uuencoded at the end of the file. Replacement: slight changes of wording and emphasis. ADP-93-215/T133, ANL-PHY-7599-TH-93, FSU-SCRI-93-108, REVTEX 3.

Central nervous system and muscular bundles preserved in a 240 million year old giant bristletail (Archaeognatha: Machilidae)

Among the incomparably diverse group of insects no cases of central nervous system (CNS) preservation have been so far described in compression fossils. A third of the fossil insects collected from a 240-239 million year old (Ma) level at Monte San Giorgio UNESCO World Heritage (SwitzerlandItaly) underwent phosphatization, resulting in the extraordinary preservation of soft tissues. Here we describe Gigamachilis triassicus gen. et sp. nov. (Archaeognatha: Machiloidea: Machilidae) that, with an estimated total length of similar to 80 millimeters, represents the largest apterygote insect ever recorded. The holotype preserves: (i) components of the CNS represented by four abdominal ganglia, optic lobes with neuropils and compound retina;(ii) muscular bundles. Moreover, G. triassicus, possessing morphological features that prompt its assignment to the extant archaeognathan ingroup Machilidae, places the origin of modern lineages to Middle Triassic. Interestingly, at Monte San Giorgio, in the same stratigraphic unit the modern morphology of G. triassicus co-occurs with the ancient one represented by Dasyleptus triassicus (Archaeognatha: dagger Monura). Comparing these two types of body organization we provide a new reconstruction of the possible character evolution leading towards modern archaeognathan forms, suggesting the acquisition of novel features in a lineage of apterygote insects during the Permian or the Lower Triassic

Stoichiometric representation of geneproteinreaction associations leverages constraint-based analysis from reaction to gene-level phenotype prediction

Genome-scale metabolic reconstructions are currently available for hundreds of organisms. Constraint-based modeling enables the analysis of the phenotypic landscape of these organisms, predicting the response to genetic and environmental perturbations. However, since constraint-based models can only describe the metabolic phenotype at the reaction level, understanding the mechanistic link between genotype and phenotype is still hampered by the complexity of gene-protein-reaction associations. We implement a model transformation that enables constraint-based methods to be applied at the gene level by explicitly accounting for the individual fluxes of enzymes (and subunits) encoded by each gene. We show how this can be applied to different kinds of constraint-based analysis: flux distribution prediction, gene essentiality analysis, random flux sampling, elementary mode analysis, transcriptomics data integration, and rational strain design. In each case we demonstrate how this approach can lead to improved phenotype predictions and a deeper understanding of the genotype-to-phenotype link. In particular, we show that a large fraction of reaction-based designs obtained by current strain design methods are not actually feasible, and show how our approach allows using the same methods to obtain feasible gene-based designs. We also show, by extensive comparison with experimental 13C-flux data, how simple reformulations of different simulation methods with gene-wise objective functions result in improved prediction accuracy. The model transformation proposed in this work enables existing constraint-based methods to be used at the gene level without modification. This automatically leverages phenotype analysis from reaction to gene level, improving the biological insight that can be obtained from genome-scale models.DM was supported by the Portuguese Foundationfor Science and Technologythrough a post-doc fellowship (ref: SFRH/BPD/111519/ 2015). This study was supported by the PortugueseFoundationfor Science and Technology (FCT) under the scope of the strategic fundingof UID/BIO/04469/2013 unitand COMPETE2020 (POCI-01-0145-FEDER-006684) and BioTecNorte operation (NORTE-01-0145FEDER-000004) fundedby EuropeanRegional Development Fund under the scope of Norte2020Programa Operacional Regional do Norte. This project has received fundingfrom the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreementNo 686070. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript