Challenges in using mid-infrared spectroscopy for the determination of soil physical, chemical, and biochemical properties on undisturbed soil samples

Diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in the mid-infrared range (MIR) has become an established analytical tool for quantitative and qualitative analysis of soil samples. The heterogeneity of soil requires sample preparation procedures to optimize the reproducibility and accuracy of the spectroscopic measurement. These procedures have not been standardized. Generally, soil is dried and ground before measurement to avoid reflections of surface water films and minimize the intra- and inter-particle variability, respectively. Additionally, the sample surface is levelled to a plain surface for an ideal reflection. These sample preparation techniques are limited to disturbed samples only. Thus, a potential DRIFT mapping of undisturbed soil samples requires an adjusted calibration to allow for an accurate prediction of soil properties. In this study, we developed a method for calibrating the prediction of DRIFT spectra collected from undisturbed soil samples. In a first step, differences of spectral information measured from undisturbed and ground soil samples have been evaluated. Therefore, we record the DRIFT spectra of 120 German and 120 West-African chemically well characterized soils. DRIFT spectra of both, ground and sieved only soil samples are recorded and both calibrated against different physio-chemical soil properties, such as texture, CEC, organic carbon, pH, or iron oxides. In preliminary experiments, we found that spectra of sieved and ground samples significantly differed in specific spectral regions representing clay minerals, as well as organic matter. It can be assumed that the prediction of surface related soil parameters could be superior using sieved soil spectra, as grounding alters the surface structure of the soil. In a further step, microtopgraphy effects on spectra quality from disturbed and undisturbed soil samples have been evaluated. Therefore, spectral information has been taken from two dimensional disturbed and undisturbed soil samples at a high spatial resolution. The spectra quality was significantly higher in the disturbed soils since microtopography was absent in these samples. Thus, a digital elevation model (DEM) will be constructed using close-range digital photogrammetry to correct these topography effects. With this new method, there is a potential of imaging soil parameters on a microscale that can help considerably in locating and understanding soil processes on a small scale

Classification of West African (peri)-urban and rural agricultural soils based on mid-infrared diffuse reflectance spectroscopy (DRIFT) and multivariate statistics and data mining

Urban and peri-urban agriculture has long been part of West African society. In Sub-Sahara Africa with its low soil fertility and high vulnerability for droughts, food security not only depends on rural food production but also on this (peri)-urban agriculture. The interdisciplinary GlobE – UrbanFoodPlus project aims to enhance the resource use efficiency of such agricultural sites in West African cities to improve the economic situation and food security for the people in this area. To assess soil productivity inside this project, several randomized surveys were conducted to characterize urban and peri-urban agriculture in Tamale (Ghana), Ouagadougou (Burkina Faso), and in rural Northern Ghana. All sample sites were situated in the West African Savannah zone. These surveys systematically described the status of urban agriculture by collecting soil samples, as well as additional socioeconomic and land use data. For our study, the spectra of more than 1000 soil samples were analyzed using diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in the mid-infrared range (MIR 4000–400 cm–1) at a resolution of 4 cm-1. Based on the large data set of spectra, we exploratory analyzed the data for clustering and grouping based on latest improvements in multivariate statistics and data mining. Statistically, we were able to find classes inside the spectral data. This grouping could be explained by sample location using the Random Forest algorithm at a very low error of about 5%. By mathematical pretreatment of the data, the error could further be reduced to <2%. Due to the spectral difference by geography location, potential caused by differences in climate, we continued to determine groups within one location using cluster algorithms. With this technique, we could determine further subgroups in the data. We then used topographic, land use, and socioeconomic data to explain the statistically found clustering in the MIR spectra. We herewith present a novel approach by combing multivariate MIR spectra analysis with socioeconomic data. Although we showed that soil spectra seemed to be largely affected by topography and climate, there were also differences in the spectra that could be explained by differences in land use practices

Exploration adjustment by ant colonies

© 2016 The Authors. How do animals in groups organize their work? Division of labour, i.e. the process by which individuals within a group choose which tasks to perform, has been extensively studied in social insects. Variability among individuals within a colony seems to underpin both the decision over which tasks to perform and the amount of effort to invest in a task. Studies have focused mainly on discrete tasks, i.e. tasks with a recognizable end. Here, we study the distribution of effort in nest seeking, in the absence of new nest sites. Hence, this task is open-ended and individuals have to decide when to stop searching, even though the task has not been completed. We show that collective search effort declines when colonies inhabit better homes, as a consequence of a reduction in the number of bouts (exploratory events). Furthermore, we show an increase in bout exploration time and a decrease in bout instantaneous speed for colonies inhabiting better homes. The effect of treatment on bout effort is very small; however, we suggest that the organization of work performed within nest searching is achieved both by a process of self-selection of the most hard-working ants and individual effort adjustment

Ist der Kohlenstoffabbau in Unterböden limitiert auf Hotspots? - Räumliche Erfassung des Substratabbaus und der Enzymaktivitäten mittels Radiographie und Zymographie

Durch die größere Relevanz von präferentiellen Fließwegen und Wurzeln für den Kohlenstoffinput in den Unterboden (< 30 cm) ergibt sich eine höhere räumliche Heterogenität der Kohlenstoffverteilung und -flüsse als im Oberboden. Eine mögliche räumliche Segregation zwischen Konsumenten und Kohlenstoff im Unterboden ist eine Theorie, weshalb der dortige Kohlenstoff nur langsam abgebaut wird. Dies lässt vermuten, dass im Unterboden der Kohlenstoffumsatz hauptsächlich in mikrobiellen „Hot Spots“ stattfindet. Bisherige methodische Ansätze können diese Theorie nicht untersuchen, da z.B. bei Substratmineralisierungsstudien nur gestörte Proben verwendet werden können. Die Kombination aus Radiographie und Zymographie kann ein neuer Ansatz sein, um die räumliche Aktivität von Enzymen und den Abbau von C14-markierten Substraten an ungestörten (Unter)Bodenproben zu untersuchen. An der Probe (11 x 7 cm) wird zunächst die räumliche Aktivität von Enzymen aus verschieden Nährstoffkreisläufen mittels Zymographie (1) erfasst. Anschließend wird die Bodenoberfläche mit einem C14-markierten Substrat (z.B. Glukose) besprüht (100 Bq cm-2). Hierfür wird ein hochpräziser Sprühroboter (iMatrix Spray) verwendet, der ein sehr kleines Volumen von 1 µl cm-2 auf die Probe bringt. Die Probe wird für 2 Wochen inkubiert und das mineralisierte C14 in einer KOH-Lösung gefangen und nach ausgesuchten Zeiträumen mittels b-Counter analysiert. Der räumliche Abbau des Substrats wird zu denselben Zeitpunkten mit Hilfe der Radiographie (Bestimmung der Verteilung der Radioaktivität) erfasst. Die Kombination der zwei verschiedenen Methoden wird zeigen, ob das Substrat hauptsächlich in den mikrobiellen „Hot Spots“ abgebaut wird. Nach Beendigung der Inkubation wird die Zymographie wiederholt, um zu untersuchen, ob durch die C-Zugabe neue „Hotspots“ im Laufe der Inkubation entstanden sind. Dieser Beitrag wird die ersten Ergebnisse für Oberboden vs. Unterboden behandeln

Modellierung des Sorptionverhaltens von zwei beispielhaften persistenten organischen Schadstoffen an die Bodenfestphase basierend auf spektralen Daten und multivariater statistischer Analysen

Persistente organische Schadstoffe (POPs) stellen eine große Gefahr dar. Vor diesem Hintergrund ist ein Risikomanagement über den Verbleib der POPs im Boden von großem Interesse. Deshalb war es das Ziel dieser Studie ein zuverlässiges, schnelles und kostengünstiges Verfahren zu entwickeln, das die Sorption und Desorption an zwei modellhaften POPs vorhersagen kann. Dazu wurden 4-n-Nonylphenol (NP) und Perfluoroctansäure (PFOA) ausgewählt. Für die Entwicklung eines Prognosemodells wurden 72 Bodenproben zunächst nach Textur, Kohlenstoff-, Eisenoxid- und Manganoxidgehalt sowie pH-Wert hin konventionell analysiert. Von allen Bodenproben wurden darüber hinaus FTIR-Spektren im mittleren Infraroten Bereich gemessen. Die Sorption der Schadstoffe an den Boden wurde mit Hilfe von Batch Versuchen erfasst. Auf der Grundlage der FTIR Daten, welche Summenparameter der chemischen Bodenzusammensetzung darstellen, wurde, unter einer breiten Variation von statistischen Auswertungen, ein Vorhersagemodell zur Verbreitung der Tenside im Boden erstellt. Grundsätzlich war die Sorption von Nonylphenol und Perfluoroctansäure linear über alle Bodenproben hinweg. Trotzdem konnten signifikante Unterschiede in den Sorptionskoeffizienten (KD-Werten) festgestellt werden. Während für PFOA die KD-Werte im Bereich zwischen 2 und 80 ml g-1 lagen, wurden für NP Werte von 25 bis 1000 ml g-1 gemessen. Mit Hilfe einer multiplen Regressionsanalyse konnte bestimmt werden, dass die Sorption im Fall von PFOA signifikant von den Eisenoxidgehalten sowie den organischen Kohlenstoffgehalten abhängig war. Bei Nonylphenol war lediglich eine Abhängigkeit von den Corg-Gehalten zu beobachten. Da verschiedene Adsorptionsmechanismen der beiden POPs zu beobachten waren, wurden zwei unterschiedliche Prognosemodelle entwickelt. Auf Grundlage der Tatsache, dass die spektralen Daten Informationen zu der chemischen Bodenzusammensetzung aufweisen, wurden die konventionell erlangten Ergebnisse gegen die spektralen Daten kalibriert. Dadurch konnten die spektralen Bereiche identifiziert werden, welche die Informationen zu den Eisenoxid- und organischen Kohlenstoffgehalten trugen. Die relevanten spektralen Bereiche wurden verwendet, um das Vorhersagemodell, basierend auf dem Random Forrest Algorithmus, aufzubauen

Social behaviour and collective motion in plant-animal worms

© 2016 The Author(s) Published by the Royal Society. All rights reserved. Social behaviour may enable organisms to occupy ecological niches that would otherwise be unavailable to them. Here, we test this major evolutionary prin- ciple by demonstrating self-organizing social behaviour in the plant-animal, Symsagittifera roscoffensis. These marine aceol flat worms rely for all of their nutrition on the algae within their bodies: hence their common name. We show that individual worms interact with one another to coordinate their movements so that even at low densities they begin to swim in small polarized groups and at increasing densities such flotillas turn into circular mills. We use computer simulations to: (i) determine if real worms interact socially by com- paring them with virtual worms that do not interact and (ii) show that the social phase transitions of the real worms can occur based only on local inter- actions between and among them. We hypothesize that such social behaviour helps the worms to form the dense biofilms or mats observed on certain sun- exposed sandy beaches in the upper intertidal of the East Atlantic and to become in effect a super-organismic seaweed in a habitat where macro-algal seaweeds cannot anchor themselves. Symsagittifera roscoffensis, a model organ- ism in many other areas in biology (including stem cell regeneration), also seems to be an ideal model for understanding how individual behaviours can lead, through collective movement, to social assemblages

Erfassung der mikrobiellen Dynamik im Boden unter Verwendung von aktiver und passiver Infrarot-Thermographie sowie Radiographie

Die mikrobielle Aktivität in Böden ist bei der Bewertung der Fruchtbarkeit, des Kohlenstoffverlusts und der Kontamination von Böden von großen Interesse. Bisher war eine hochauflösende räumliche und zeitliche Analyse der mikrobiellen Aktivität aufgrund methodischer, instrumenteller und analytischer Herausforderungen nicht möglich. Daher werden neue Techniken wie aktive und passive Infrarot-Thermographie (IRT) in Kombination mit Radiographie eingesetzt, um ein Verfahren zur Überwachung der räumlichen mikrobiellen Dynamik ungestörter Bodenproben zu entwickeln. In dieser Studie wurden Bodenproben dreier Äcker und eines Waldes verwendet, deren bodenbiologischen Eigenschaften sich signifikant unterscheiden. Diese wurden auf 50% der maximalen Wasserhaltekapazität befeuchtet und in einer luftdichten Handschuhbox mit kontrollierter relativer Luftfeuchtigkeit von 92% in Mikroplatten vorinkubiert. Anschließend wurde 14C-Glukose tröpfchenweise pipettiert oder flächenhaft mit einem Robotersprühsystem aufgetragen. Dadurch wird die mikrobielle Aktivität, die durch die Wärmeerzeugung der Bodenatmung messbar ist, auf eine für die IRT nachweisbare Grenze erhöht. Nach Glukoseapplikation wurde die mikrobielle Aktivität mit einer IRT-Kamera durch minütliche Aufnahmen der Oberflächentemperatur (passive IRT) überwacht. Darüber hinaus wurden die Raten der 14C-Glukose-Mineralisierung mittels Radiographie analysiert. Da Unterschiede der Bodenfeuchtigkeit und der Oberflächenstruktur die gemessenen Temperaturen potenziell beeinflussen können, wird die Veränderung des flächigen Bodenwassergehaltes und -struktur mittels aktiver IRT überwacht. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass sowohl die IRT als auch die Radiographie die mikrobielle Dynamik nach Glukoseapplikation abbilden können. Alle Bodenproben verzeichnen eine Erhöhung der Oberflächentemperatur und eine erhöhte 14C-Mineralisierung zwei Tage nach Glukoseapplikation, die charakteristisch für mikrobielle Mineralisierungsprozesse der substratinduzierten Respiration sind

The additional value of CT images interpretation in the differential diagnosis of benign vs. malignant primary bone lesions with 18F-FDG-PET/CT

Objective: To evaluate the value of a dedicated interpretation of the CT images in the differential diagnosis of benign vs. malignant primary bone lesions with 18fluorodeoxyglucose-positron emission tomography/computed tomography (18F-FDG-PET/CT). Materials and methods: In 50 consecutive patients (21 women, 29 men, mean age 36.9, age range 11-72) with suspected primary bone neoplasm conventional radiographs and 18F-FDG-PET/CT were performed. Differentiation of benign and malignant lesions was separately performed on conventional radiographs, PET alone (PET), and PET/CT with specific evaluation of the CT part. Histology served as the standard of reference in 46 cases, clinical, and imaging follow-up in four cases. Results: According to the standard of reference, conventional 17 lesions were benign and 33 malignant. Sensitivity, specificity, and accuracy in assessment of malignancy was 85%, 65% and 78% for conventional radiographs, 85%, 35% and 68% for PET alone and 91%, 77% and 86% for combined PET/CT. Median SUVmax was 3.5 for benign lesions (range 1.6-8.0) and 5.7 (range 0.8-41.7) for malignant lesions. In eight patients with bone lesions with high FDG-uptake (SUVmax ≥ 2.5) dedicated CT interpretation led to the correct diagnosis of a benign lesion (three fibrous dysplasias, two osteomyelitis, one aneurysmatic bone cyst, one fibrous cortical defect, 1 phosphaturic mesenchymal tumor). In four patients with lesions with low FDG-uptake (SUVmax < 2.5) dedicated CT interpretation led to the correct diagnosis of a malignant lesion (three chondrosarcomas and one leiomyosarcoma). Combined PET/CT was significantly more accurate in the differentiation of benign and malignant lesions than PET alone (p = .039). There was no significant difference between PET/CT and conventional radiographs (p = .625). Conclusion: Dedicated interpretation of the CT part significantly improved the performance of FDG-PET/CT in differentiation of benign and malignant primary bone lesions compared to PET alone. PET/CT more commonly differentiated benign from malignant primary bone lesions compared with conventional radiographs, but this difference was not significan

Refraction in exoplanet atmospheres: Photometric signatures, implications for transmission spectroscopy, and search in Kepler data

Refraction deflects photons that pass through atmospheres, which affects transit light curves. Refraction thus provides an avenue to probe physical properties of exoplanet atmospheres and to constrain the presence of clouds and hazes. In addition, an effective surface can be imposed by refraction, thereby limiting the pressure levels probed by transmission spectroscopy. The main objective of the paper is to model the effects of refraction on photometric light curves for realistic planets and to explore the dependencies on atmospheric physical parameters. We also explore under which circumstances transmission spectra are significantly affected by refraction. Finally, we search for refraction signatures in photometric residuals in Kepler data. We use the model of Hui & Seager (2002) to compute deflection angles and refraction transit light curves, allowing us to explore the parameter space of atmospheric properties. The observational search is performed by stacking large samples of transit light curves from Kepler. We find that out-of-transit refraction shoulders are the most easily observable features, which can reach peak amplitudes of ~10 parts per million (ppm) for planets around Sun-like stars. More typical amplitudes are a few ppm or less for Jovians and at the sub-ppm level for super-Earths. Interestingly, the signal-to-noise ratio of any refraction residuals for planets orbiting Sun-like hosts are expected to be similar for planets orbiting red dwarfs. We also find that the maximum depth probed by transmission spectroscopy is not limited by refraction for weakly lensing planets, but that the incidence of refraction can vary significantly for strongly lensing planets. We find no signs of refraction features in the stacked Kepler light curves, which is in agreement with our model predictions.Comment: Accepted for publication in A&